Способ автоматического регулирования уровня выходной мощности сверхвысокочастотного сигнала векторного анализатора цепей по промежуточной частоте и система для его осуществления Российский патент 2023 года по МПК H03G3/20 

Область техники

Группа изобретений относится к области радиоэлектроники сверхвысоких частот (СВЧ) и системам управления, а именно, к устройствам генерации, приема, преобразования и обработки электромагнитных
СВЧ-сигналов и может быть использована для регулирования уровня выходной мощности СВЧ-сигнала векторных анализаторов цепей (ВАЦ).

Уровень техники

Известен способ улучшения динамического диапазона установки уровня выходной мощности источника СВЧ-сигнала ВАЦ в широком диапазоне температур (заявка CN110543205, МПК G01R35/00, опубл. 06.12.2019), согласно которому регулировка осуществляется на основе использования схемы автоматического регулирования уровня выходной мощности источника СВЧ-сигнала, включающей направленный детектор мощности, логарифмический усилитель с дополнительной схемой температурной компенсации, интегратор и аттенюатор. Использование дополнительной схемы температурной компенсации и учета изменения температуры в процессе калибровки позволяет уменьшить температурное влияние и тем самым увеличить динамический диапазон установки уровня выходной мощности источника СВЧ-сигнала ВАЦ.

Недостатком данного способа является избирательноеобеспечение температурной стабильности источника СВЧ-сигнала ВАЦ, что не позволяет учесть и скомпенсировать неравномерности и температурные нестабильности остальной части генераторного тракта и всего приемного тракта ВАЦ.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ автоматического регулирования уровня выходного сигнала и система для его осуществления (патент RU2562420, МПК Н03G3/20, опубл. 10.09.2015), выбранные в качестве прототипа. Способ заключается в сравнении оцифрованного сигнала петли обратной связи с цифровым сигналом уставки. В соответствии с изобретением, СВЧ-сигнал преобразуют в низкочастотный, который поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), затем оцифрованный сигнал поступает в программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС), с помощью которой линейно изменяют уровень выходного сигнала при линейном изменении уставки, где сравнивают с уставкой, далее, по реализованному в ПЛИС алгоритму управления формируют управляющий сигнал и с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП) преобразуют цифровой сигнал в аналоговый сигнал.

Система, реализующая способ-прототип, включает последовательно соединенные направленный ответвитель (НО), диодный детектор и АЦП, образующие петлю обратной связи. В соответствии с изобретением, система снабжена ПЛИС, при этом выход ПЛИС соединен с входом ЦАП, выход которого соединен со входом блока управления уровнем, который последовательно соединен с НО, диодным детектором и усилителем, выход которого соединен с входом АЦП, выход которого соединен с входом ПЛИС, представленной элементом рассогласования, выход которого соединен с регулятором, формирующим управляющий сигнал.

К недостаткам известной группы технических решений относятся повышенные требования к генераторной части устройства по причине наличия большого количества побочных спектральных составляющих, вследствие сверхширокополосности системы, что приводит к уменьшению чувствительностидиодного детектора и, как следствие, к уменьшению динамического диапазона установки уровня выходной мощности СВЧ-сигнала, а также обеспечение температурной стабильности только генераторной части устройств.

Сущность изобретения

Основной технической задачей заявляемойгруппы изобретений является создание способа и системы для его осуществления, позволяющих учесть и скомпенсировать неравномерности и нестабильности генераторного и приемного трактов ВАЦ, а также повысить температурную стабильность измерений S-параметров.

Техническим результатом является повышение чувствительности детектора мощности высокочастотного сигнала (ВЧ-сигнала) и, как следствие, увеличение динамического диапазона установки уровня выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ и повышение точности регулирования уровня выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ, а также, за счет охвата обратной связью измерительных приемников опорных каналов ВАЦ, повышение их температурной стабильности и, как следствие, повышение стабильности измеряемых S-параметров».

Технический результат достигается за счет того что, в способе автоматического регулирования уровня выходной мощности сверхвысокочастотного (СВЧ) сигнала векторного анализатора цепей (ВАЦ) по промежуточной частоте (ПЧ), заключающемся в формировании управляющего сигнала для регулирования уровня выходной мощностиширокополосного СВЧ-сигнала, ответвляемого по петле обратной связи, детектировании огибающей высокочастотного сигнала (ВЧ-сигнала)и усилении полученного низкочастотного сигнала (НЧ-сигнала), согласно предложенному решению, ответвляемый на измерительные приемникиопорных каналов ВАЦ широкополосный СВЧ-сигнал, формируемый в синтезаторе частот (СЧ) зондирующего сигнала, преобразуют в ВЧ-сигнал фиксированной ПЧ за счет смешивания с СВЧ-сигналом СЧ сигнала гетеродина, отстроенного вверх на частоту ПЧ от основного СВЧ-сигнала СЧ зондирующего сигнала, а затем полученный ВЧ-сигнал фильтруют, а после чегоразделяют на две части, одну из которых детектируют и преобразуют в НЧ-сигнал, который затем усиливают ипреобразуют в логарифмический формат, после чего сравнивают с сигналом, пропорциональным заданному уровню выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ, выделяя при этом сигнал рассогласования, регулируют его ипреобразуют в напряжение управления уровнем усилителя мощности СЧ зондирующего сигнала, замыкая петлю обратной связи, при этом сигнал, пропорциональный заданному уровню выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ задают при помощи программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), переводят в аналоговую форму, а вторую часть разделенного сигнала оцифровывают, передают в ПЛИС, где полученные данные используют для контроля перегрузки приемного тракта ВАЦ, ограничивая уровень выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ.

Технический результат достигается также за счет того что, в систему автоматического регулирования уровня выходной мощности СВЧ сигнала векторного анализатора цепей по ПЧ, включающую направленный ответвитель (НО), последовательно подключенные детектор мощности ВЧ-сигнала и усилитель мощности, сравнивающее устройство, выход которого соединен с входом регулятора, последовательно подключенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП), ПЛИС, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП),согласно предложенному решению,введеныСЧ зондирующего сигнала, содержащий усилитель мощности, последовательно подключенные СЧ сигнала гетеродина, смеситель частот, полосовой фильтр и делитель мощности ВЧ-сигнала, причем выход СЧ зондирующего сигнала соединен с входом НО, ответвленный канал которого соединен с одним из входов понижающего смесителя частот, при этом выход полосового фильтра соединен со входом делителя мощности ВЧ-сигнала, один из выходов которого соединен со входом детектора мощности ВЧ-сигнала, а другой из выходов которого соединен со входом АЦП, выход ЦАП соединен со вторым входом сравнивающего устройства, а выход регулятора соединен со входом усилителя мощности синтезатора частот зондирующего сигнала.

В частном случае выполнения, всистему автоматического регулирования уровня выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ по ПЧ, согласно предложенному решению, введен первый блок умножения частоты, подключенный между СЧ зондирующего сигнала и НО, при этомпервый блок умножения частотысодержит аттенюатор, вход управления ослаблением которого соединен с выходом регулятора.

В частном случае выполнения, в систему автоматического регулирования уровня выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ по ПЧ, согласно предложенному решению, введен второй блок умножения частоты, подключенный между первым блоком умножения частоты и НО, при этом второй блок умножения частоты включает усилитель мощности, вход управления уровнем которого соединен с выходом регулятора.

В заявляемой группе изобретениявзаимосвязаны настолько, что образуют единый изобретательский замысел, следовательно, данная группа решений удовлетворяет требованию единства изобретения.

Краткое описание чертежей

Заявленная группа технических решений поясняется рисунками, где на фиг. 1, 2 и 3 представлены структурные схемызаявляемых систем, реализующих способ автоматического регулирования уровня выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ по ПЧ в рабочем диапазоне частот ВАЦ с верхней граничной частотой 13,5 ГГц, 26,5 ГГц, 50 ГГц или 67 ГГц, соответственно; на фиг. 4 –график зависимости уровня выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ от значения сигнала ЦАП, пропорционального заданному уровню выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ; на.фиг. 5 – график зависимости смещения уровня выходной мощности при изменении температуры; в таблице приведены результаты проверки обеспечения абсолютной погрешности установки уровня выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ по ПЧ заявляемых систем в рабочем диапазоне частот ВАЦ с верхней граничной частотой 13,5 ГГц, 26,5 ГГц, 50 ГГц или 67 ГГц, соответственно.

Система автоматического регулирования уровня выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ по ПЧ(фиг. 1) включает СЧ зондирующего сигнала 1,который используют в качестве источника основного сигнала, содержащий усилитель мощности 2.Выход СЧ зондирующего сигнала 1 соединен со входом НО 3, ответвленный канал которого соединен со входом понижающего смесителя частот 4 с фиксированной ПЧ, к другомувходу которого подключен выход СЧ сигнала гетеродина 5, а выход понижающего смесителя частот 4 с фиксированнойПЧ 4 соединен со входом полосового фильтра (ПФ) 6, выход которого соединен с входом делителя мощности ВЧ-сигнала 7.Один из выходовделителя мощности 7 соединен со входом детектора мощности ВЧ-сигнала 8, выход которого соединен со входом логарифмического усилителя 9, выход которого соединен с одним из входовсравнивающего устройства 10. Выход сравнивающего устройства 10 соединен со входом регулятора 11, выход которого соединен со входом управления уровнем усилителя мощности 2СЧ1 зондирующего сигнала. А второй из выходовделителя мощности ВЧ-сигнала 7 соединен со входом АЦП 12, выход которого соединен с входом ПЛИС 13, выход которой соединен со входом ЦАП 14, выход которого соединен с другим входом сравнивающего устройства 10.

В частном случае выполнения, система автоматического регулирования уровня выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ по ПЧ
(фиг. 2), включает первый блок умножения частот 15 (фиг. 2), вход которого соединен с выходомСЧ зондирующего сигнала 1, а выход которого соединен с входом НО 3. Блок умножения частот 15 содержит аттенюатор 16, вход управления ослаблением которого соединен с выходом регулятора 11.

В частном случае выполнения, система автоматического регулирования уровня выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ по ПЧ
(фиг. 3), включает второй блок умножения частот 17, содержащий усилитель мощности 18, вход управления уровня которого соединен с выходом регулятора 11.Вход второго блока умножения частот 17 соединен с выходомблока умножения частот 15, а выход второго блока умножения частот 17 соединен со входом направленного ответвителя 3

Осуществление группы изобретений

Заявленный способ реализуется при помощи вариантов систем следующим образом.

На входНО 3 поступает широкополосный СВЧ-сигнал, формируемый в СЧ зондирующего сигнала 1 (фиг. 1). Через ответвленный каналНО 3 по цепи опорного канала СВЧ-сигнал поступает на первый вход понижающего смесителя частот 4.Одновременно с этим, на второй вход понижающегосмесителя частот 4 поступает широкополосный СВЧ-сигнал, отстроенный от основного СВЧ-сигнала вверх на частоту ПЧ, который формируется в СЧ сигнала гетеродина 5. На выходепонижающего смесителя частот 4 формируется ВЧ-сигнал фиксированной ПЧ. Этот ВЧ-сигнал фильтруется с помощью ПФ 6, настроенного на ПЧ, что позволяет повысить чувствительность диодного детектора и как следствие, увеличить динамический диапазон установки уровня выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ и повысить точность регулирования уровня выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ.

Далее с помощью делителя мощности ВЧ-сигнала 7 часть сигнала поступает на вход детектора мощности ВЧ-сигнала 8, в котором осуществляется детектирование огибающей ВЧ-сигнала и передача на вход логарифмического усилителя 9 НЧ-сигнала. После чего НЧ-сигнал поступает на сравнивающее устройство 10, одновременнос чем на сравнивающее устройство 10 поступает сигнал с ЦАП 14, пропорциональный заданному уровню выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ.

Таким образом, в сравнивающем устройстве 10 происходит выделение сигнала рассогласования, который проходит через регулятор 11, преобразующий его в напряжение управления. В качестве регулятора 11 используется интегратор. В результате напряжение управления поступает на вход управления уровнем усилителя мощности 2 СЧ зондирующего сигнала 1, тем самым замыкая петлю обратной связи системы автоматического регулирования уровня выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ по ПЧосуществляющей регулирование и стабилизацию уровня выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ.

Одновременно с этим, со второго выхода делителя мощности 7 ВЧ-сигнал поступает на АЦП 12, где он преобразуется в цифровой вид и затем поступает в ПЛИС 13. В ПЛИС 13 оцифрованный сигнал используется для контроля перегрузки приемного тракта ВАЦ, с целью ограничения уровня выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ.

В соответствии с вариантом реализации способа (фиг. 2), системавключаетдополнительный объект управления– первыйблок умножения частоты 15, осуществляющий регулирование уровня выходной мощности СВЧ-сигнала за счет использования аттенюатора 16 и умножение частоты, расширяя верхнюю граничную частоту ВАЦ до 26,5 ГГц. В результате, напряжение управления с выходарегулятора 11 поступает на вход управления уровнем ослабления аттенюатора 16первого блока умножения частоты 15, тем самым замыкая петлю обратной связи системы автоматического регулирования уровня выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ по ПЧ, осуществляющей регулирование и стабилизацию уровня выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ.

В соответствии с вариантом реализации способа (фиг. 3), системавключает второй дополнительный объект управления– второй блок умножения частоты 17, осуществляющий регулирование уровня выходной мощности СВЧ-сигнала за счет использования усилителя мощности 18 и умножение частоты, расширяя верхнюю граничную частоту ВАЦ до 50 ГГц или до 67 ГГц, в зависимости от используемой схемы блока умножения частоты 17, реализованной на основе умножителя с коэффициентом умножения 2 или 4, соответственно. В результате, напряжение управления с выходарегулятора 11 поступает на вход управления уровнем усилителя мощности 18второго блока умножения частоты 17, тем самым замыкая петлю обратной связи системы автоматического регулирования уровня выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ по ПЧ, осуществляющей регулирование и стабилизацию уровня выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ.

Заявляемая группа изобретений позволяет учесть и скомпенсировать неравномерности и нестабильности генераторного и приемного трактов ВАЦ, повысить температурную стабильность измерений S-параметров, что в свою очередь, обеспечивает абсолютную погрешность установки уровня выходной мощности СВЧ-сигнала не более ±1 дБ (таблица), динамический диапазон установки уровня выходной мощности СВЧ-сигнала не менее 40 дБ (фиг. 4), а также обеспечение температурной стабильности уровня выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ не более 0,02 дБ/ºС (фиг. 5).

Группа изобретений относится к области радиоэлектроники и может быть использована для регулирования уровня выходной мощности СВЧ-сигнала векторных анализаторов цепей (ВАЦ). Техническим результатом является повышение чувствительности детектора мощности высокочастотного сигнала, увеличение динамического диапазона установки уровня выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ и повышение точности регулирования уровня выходной мощности. Для этого система автоматического регулирования уровня выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ по ПЧ включает СЧ зондирующего сигнала, содержащий усилитель мощности. Выход СЧ зондирующего сигнала соединен со входом НО, ответвленный канал которого соединен со входом понижающего смесителя частот с фиксированной ПЧ, к другому входу которого подключен выход СЧ сигнала гетеродина, а выход понижающего смесителя частот с фиксированной ПЧ соединен со входом полосового фильтра (ПФ), выход которого соединен с входом делителя мощности ВЧ-сигнала. Один из выходов делителя мощности соединен со входом детектора мощности ВЧ-сигнала, выход которого соединен со входом логарифмического усилителя, выход которого соединен с сравнивающим устройством. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Способ автоматического регулирования уровня выходной мощности сверхвысокочастотного (СВЧ) сигнала векторного анализатора цепей (ВАЦ) по промежуточной частоте (ПЧ), заключающийся в формировании управляющего сигнала для регулирования уровня выходной мощности широкополосного СВЧ-сигнала, ответвляемого по петле обратной связи, детектировании огибающей высокочастотного сигнала (ВЧ-сигнала) и усилении полученного низкочастотного сигнала (НЧ-сигнала), отличающийся тем, что ответвляемый на измерительные приемники опорных каналов ВАЦ широкополосный СВЧ-сигнал, формируемый в синтезаторе частот (СЧ) зондирующего сигнала, преобразуют в ВЧ-сигнал фиксированной ПЧ за счет смешивания с СВЧ-сигналом СЧ сигнала гетеродина, отстроенного вверх на частоту ПЧ от основного СВЧ-сигнала СЧ зондирующего сигнала, а затем полученный ВЧ-сигнал фильтруют, а после чего разделяют на две части, одну из которых детектируют и преобразуют в НЧ-сигнал, который затем усиливают и преобразуют в логарифмический формат, после чего сравнивают с сигналом, пропорциональным заданному уровню выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ, выделяя при этом сигнал рассогласования, регулируют его и преобразуют в напряжение управления уровнем усилителя мощности СЧ зондирующего сигнала, замыкая петлю обратной связи, при этом сигнал, пропорциональный заданному уровню выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ, задают при помощи программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), переводят в аналоговую форму, а вторую часть разделенного сигнала оцифровывают, передают в ПЛИС, где полученные данные используют для контроля перегрузки приемного тракта ВАЦ, ограничивая уровень выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ.

2. Система автоматического регулирования уровня выходной мощности сверхвысокочастотного (СВЧ) сигнала векторного анализатора цепей по промежуточной частоте (ПЧ), включающая направленный ответвитель (НО), последовательно подключенные детектор мощности ВЧ-сигнала и усилитель мощности, сравнивающее устройство, выход которого соединен с входом регулятора, последовательно подключенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП), ПЛИС, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), отличающаяся тем, что введены синтезатор частот (СЧ) зондирующего сигнала, содержащий усилитель мощности, последовательно подключенные синтезатор частот (СЧ) сигнала гетеродина, смеситель частот, полосовой фильтр и делитель мощности ВЧ-сигнала, причем выход СЧ зондирующего сигнала соединен с входом НО, ответвленный канал которого соединен с одним из входов понижающего смесителя частот, при этом выход полосового фильтра соединен со входом делителя мощности ВЧ-сигнала, один из выходов которого соединен со входом детектора мощности ВЧ-сигнала, а другой из выходов которого соединен со входом АЦП, выход ЦАП соединен со вторым входом сравнивающего устройства, а выход регулятора соединен со входом усилителя мощности синтезатора частот зондирующего сигнала.

3. Система автоматического регулирования уровня выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ по ПЧ по п. 2, отличающаяся тем, что введен первый блок умножения частоты, подключенный между СЧ зондирующего сигнала и НО, при этом первый блок умножения частоты содержит аттенюатор, вход управления ослаблением которого соединен с выходом регулятора.

4. Система автоматического регулирования уровня выходной мощности СВЧ-сигнала ВАЦ по ПЧ по п. 3, отличающаяся тем, что введен второй блок умножения частоты, подключенный между первым блоком умножения частоты и НО, при этом второй блок умножения частоты включает усилитель мощности, вход управления уровнем которого соединен с выходом регулятора.