Измеритель комплексных параметров СВЧ-четырехполюсника Советский патент 1993 года по МПК G01R27/28 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения параметров радиотехнических устройств в диапазоне сверхвысоких частот.

Цель изобретения - повышение быстродействия измерителя.

При сравнении известного устройства с предлагаемым видим, что предлагаемое устройство проявляет новые технические свойства, выраженные в повышении быстродействия за счет обработки измерительной информации, ее индикации в цифровом виде с помощью микроЭВМ и цифрового индикатора только на частоте, определяемой положением маркера и обработки измерительной информации и индикации ее в остальных точках рабочего диапазона частот с помощью аналогового вычислителя и электронно-лучевого индикатора.

На фиг. 1 приведена структурная схема измерителя комплексных параметров СВЧ- четырехполюсников; на фиг.2 - структурная схема генератора импульсов маркера; на фиг.З, 4 приведены блок-схемы программ определения параметровJB i/Ai), |Sjj i, р k, p n , на фиг.5, 6 - временные диаграммы сигналов.

Измеритель содержит соединенные последовательно СВЧ-генератор 1, шестиде- цибельный направленный ответвитель 2, трехдецибельный делитель мощности 3, первый электрически управляемый аттенюатор 4, второй направленный ответвитель 5, подключаемый к исследуемому СВЧ-четы- рехполюснику 6, третий направленный ответвитель 7, второй электрически управляемый аттенюатор 8, входом подключенный к второму выходу трехдецибельного делителя мощности 3, электрически управ00 О О

CJ

ю

4

ляемый фазовращатель 9, входом соединенный с выходом вторичного канала шестиде- цибельного направленного ответвителя 2, электрически управляемый переключатель 10, первым входом подключенный к выходу вторичного канала второго направленного ответвителя 5, вторым входом к выходу вторичного канала третьего направленного ответвителя 7, сумматор 11, первым входом соединенный с выходом электрически управляемого переключателя 10, вторым входом подключенный к выходу электрически управляемого фазовращателя 9, измеритель мощности 12, входом соединенный с выходом сумматора 11, блок управления 13, функции которого выполняют микроЭВМ 15, с интерфейсом 14, выходы блока 13 подключены ко входам управления электрически управляемых аттенюаторов 4, 8, фазовращателя 9, переключателя 10, и к цифровому выходу измерителя мощности 12, дешифратор 13, подключенный выходами к трем блокам памяти 14, 15, 16, два блока вычитания 17, 18, электронно-лучевой индикатор 19 и генератор 20 импульсов маркера.

Измеритель мощности 12 содержит квадратичный детектор 21, входом подключенный к первому входу измерителя мощности 12, аналого-цифровой преобразователь 22, информационным входом соединенный с выходом квадратичного детектора 21, входом запуска подключенный к четвертому входу измерителя мощности 12.

Генератор 20 импульсов маркера содержит две кнопки 23, 24 управления положением маркера, триггеры 25, 26, подключенные входами соответственно к выходам кнопок 23, 24, входы которых подключены к общей шине, два двухвходовых элементов И 27, 28, первым входом соединенные соответственно с выходами триггеров 25, 26, генератор тактовых импульсов 29, выходом подключенный к вторым входам элементов И 27, 28, реверсивный счетчик 30, входом + соединенный с выходом элемента И 27, входом - - с выходом элемента И 28, цифровой коммутатор 31, первым входом подключенный к выходу реверсивного счетчика 30, вторым входом соединенный с входом генератора 20 импульсов маркера, цифровой коммутатор 32, первым входом соединенный с выходом коммутатора, а вторым входом подключенный к входу генератора импульсов маркера.

Измеритель комплексных параметров СВЧ-четырехполюсников работает следующим образом.

Режиму измерения предшествует режим калибровки. Калибровка состоит из четырех этапов. Во время первой калибровочной операции исследуемый четырехполюсник 6 переключается из измерительного тракта и к выходу первого направленного

ответвителя 5 подключается подвижный ко- роткозамыкатель. При этом модуль и аргумент коэффициента отражения короткозамыкателя соответственно будут I Г0 , arg ( Г0 ) п , что необходимо

для создания определенной точки отсчета на фазовой плоскости.

МикроЭВМ 15 через интерфейс 14 осуществляет с помощью сигналов, подаваемых на управляющие входы аттенюаторов4,

8 и переключателя 10, перевод аттенюатора 4 в открытое состояние и подключение выхода вторичного канала первого ответвителя 5 к первому входу сумматора 11. Кроме того, микроЭВМ 15 через интерфейс 14 устанавливает генератор 1 на нижнюю частоту рабочего диапазона, поочередно переводит четырехпозиционный фазовращатель 9 в состояния фазового сдвига 0, 90, 180, 270°.

Напряжения 1)к, U2K, и зк, U4K на выходе квадратичного детектора 18 измерителя мощности 12 при указанных фазовых сдвигах будут определяться следующими выражениями:

при - О UIK Ki|Ai|f (1+ 2}BiAitco fr + |Bi/AiJ2) | ak I2,

при Др 90° U2K МАО2 (1+ 2 JB, Ai|slr Ј +jBi/Aij2 | ok I2

при 180° USK Ki|Af (1-2/Bf Pk +/Bi/Ai)2 |«k

при 270° U« KiMi/f 1-2,1 Bi/Ai) sin pk+./Bi/Aifyok |2

где Ki - коэффициент преобразования детектора 18;

AI - комплексный коэффициент передачи тракта, образованного первым каналом ответвителя 2, первым плечом делителя мощности 3, первым аттенюатором 4, ответ- вителем 5, короткозамыкателем, переключателем 10, первым плечом сумматора 11;

Вт - комплексный коэффициент передачи тракта, образованного вторичным каналом ответвителя 2, фазовращателем 9, вторым плечом сумматора 11;

од - комплексная амплитуда поля на выходе СВЧ-генератора 1 при первой калибровочной операции;

tfk разность аргументов комплексных величин ГЈ 0 и Bi/Ai. При 0°напря

жение UiK с выхода детектора 21 подается на вход аналого-цифрового преобразователя 22. Преобразователь по сигналу с генератора 20 импульсов маркера, поступающему на четвертый вход измерителя мощности 12 и далее на вход управления этого преобразователя, запускается и преобразует U11«, в цифровой эквивалент в виде двоичного кода, который запоминается в микроЭВМ 15. Аналогично U12K. U13K, U14K под действием импульсов запуска генератора 20 поочередно преобразуется в преобразователе 22 в цифровые эквиваленты, которые запоминаются в микроЭВМ 15. Импульсы запусков также поступают и в интерфейс 14 блока управления 13. Спустя некоторое время после прихода четвертого импульса интерфейс 14 запускает микроЭВМ 15, которая вычисляет неизвестные значения I Bi/Ai,| pi по алгоритмам

ID./Ail - + иЬГ-(и 1г-иАГ-( (1) uW + uk + V(Uu + и лу - (uh, - uii) - (Uii - uSy

и запоминает их.

Далее микроЭВМ 15 через интерфейс 14 устанавливает генератор 1 на следующую частоту рабочего диапазона и процедура нахождения значений |.Bi/AiL c повторяется. После определения I Bi/Ai I1 и fk на верхней частоте калибровка измерителя на первом этапе заканчивается. Таким образом, в результате первой калибровочной операции определяют постоянные |Bi/Ail и $с используемые в дальнейшем при измерении значение ISii I исследуемого СВЧ-четырехполюсника 6.

Во время второй калибровки определяются постоянные I Bi/Ai I и Ј .необходимые при определении значений I 822 исследуемого четырехполюсника 6. Для этого при исключенном из измерительного тракта исследуемом четырехполюсника 6 к выходу направленного ответвителя 7 подключается подвижный короткозамыкатель. С помощью микроЭВМ 15 открывается второй электрически управляемый аттенюатор 8, закрывается первый электрически управляемый аттенюатор 4 и к первому входу сумматора 11 через электрически управляемый переключатель 10 подключается вторичный канал второго направленного ответвителя 7. Алгоритм определения величин |Bi/A2l и pk остается прежним, при Ду 0; 90; 180; 270° фиксируются напряжения U IK. U M2K, U зк, U %к и по

выражениям, аналогичным (1), находятся I Bi/A2 I2 , р в рабочем диапазоне частот. Величина А2 в данном случае представляет собой комплексный коэффициент передачи

5 тракта, образованного первичным каналом ответвителя 2, вторым плечом делителя мощности 3, аттенюатором 8, ответвителем 7, короткозамыкателем, переключателем 10, первым плечом сумматора 11. Величина

0 Bi остается прежней, а р .является разностью аргументов комплексных величин Г0 1 и Bi/A2.

Третья калибровка необходима для определения постоянных I Вт/АзI и (fa ис5 пользуемых при нахождении значений исследуемого четырехполюсника 6. Для этого выход и вход первого и второго направленных ответвителей 5 и 7 соединяются. С помощью микроЭВМ 15 к первому входу 0 сумматора 11 через переключатель 10 подсоединяется вторичный канал ответвителя 7, открывается первый аттенюатор 4 и закрывается второй аттенюатор 8. Соединение выхода и входа первого и второго

5 ответвителей 4 и 8 соответствует включению четырехполюсника с коэффициентом передачи в прямом и обратном направлениях «о 1. Сигналы U iK, U K. U , Li 4K, полученные на выходе измерителя

0 мощности 12 при различных значениях фазовых сдвигов фазовращателя 9, выразятся соотношениями, аналогичными приведенными ранее, но Г0 заменяется Оо . Величины |В1/Аз1 и рк находятся из

5 выражений, аналогичных (1). Величина Аз в данном случае представляет собой комплексный коэффициент передачи тракта, образованного первичным каналом ответвителя 2, первичным плечом делителя мощности 3,

0 первым аттенюатором 4, первичным каналом ответвителя 5, вторичным каналом ответвителя 7, переключателем 10 и первым плечом сумматора 11. Величина В-i остается прежней, a yv является разностью аргументов комплексных величин «о 1,

Bi/Аз.

В результате четвертой калибровки на50

55

ходятся постоянные I Bi/A4 I р , используемые при нахождении значений исследуемого четырехполюсника 6. Выходи вход ответвителей 5 и 7 остаются соединенными. С помощью микроЭВМ 15 к первому входу сумматора 11 через переключатель 10 подсоединяется вторичный канал ответвителя 5, открывается аттенюатор 8, закрывается аттенюатор 4. При различных

IIIIМИ

фазовых сдвигах фиксируются U IK. U 2K, U зк, U 4K и по выражениям, аналогичным (1), находятся I Вт/Аз I и уж Величина

Аз в данном случае представляет собой комплексный коэффициент передачи тракта, образованного первичным каналом ответ- вителя 2, вторым плечом делителя 3, вторым аттенюатором 8, первичным каналом ответ- вителя 7, вторичным каналом ответвителя 5, переключателем 10 и первым плечом сумматора 11. Величина В остается прежней, а ри является разностью аргументов комплексных величин Оо 1 и В1/А4.

Генератор 20 импульсов маркера при этом работает следующим образом. Генератор тактовых импульсов 29 вырабатывает периодическую последовательность импульсов, которые поступают на вторые вхо- ды элементов И 27, 28, Нажатием кнопки 23 оператор подключает второй вход триггера 25 к общей шине. В результате перебрасывания триггера 25 на первом входе элемента И 27 появляется сигнал высокого уровня (логическая единица), и импульсы с генератора поступают на вход + реверсивного счетчика 30. Счетчик 30 суммирует эти импульсы, в результате чего на его выходе формируется код, увеличивающийся по своему значению на единицу с приходом очередного импульса. Аналогичным нажатием кнопки 24 оператор подключает второй вход триггера 26 к общей шине. В результате на выходе элемента И 28 появляется высокий уровень и импульсы с генератора 29 поступают на вход - реверсивного счетчика 30. Счетчик 30 вычитает эти импульсы. В результате код, подающийся с счетчика 30 на первый вход цифрового коммутатора 31, уменьшается по своему значению на единицу с приходом очередного импульса. В режиме калибровки цифровой код блока управления 13 поступает на вход генератора 20 импульсов маркера и далее на второй вход цифрового компаратора 32. В результате появления этого сигнала коммутатор 31 подключает вход генератора 20 импульсов маркера к первому входу компаратора 32, который вырабатывает прямоугольный им- пульс запуска АЦП 22 на своем выходе, так как коды, поступившие на его входы равны. Процесс генератора импульса маркера повторяется четыре раза на каждой частоте рабочего диапазона генератора 1, Работа генератора импульсов маркера 20 на других этапах калибровки аналогична.

В режиме измерения сигналом с блока интерфейса 14 коммутатор 31 генератора импульсов маркера 20 подключает выход реверсивного счетчика 30 к первому входу цифрового компаратора 32. На второй вход компаратора 32 поступает код частоты генератора 1, изменяющийся в сторону увеличения в соответствии с программой микро- ЭВМ 15. При равенстве кодов компаратор 32 вырабатывает импульс, поступающий на выход генератора импульсов маркера 20.

В соответствии с программой, записанной в микроЭВМ 15, калибровки (см. блок- схему программы фиг.5), блок управления 13 через интерфейс 14 вырабатывает сигнал управления измерителем. После завершения описанной выше процедуры управления измерителем с блока 13 на вход генератора 20 импульсов маркера и далее на блоки 30, 31 поступает код, соответствующий нижней частоте рабочего диапазона генератора 1. Генератор 20 вырабатывает импульс запуска АЦП 22. Этот же импульс поступает на блок интерфейса 14. МикроЭВМ 15анализи- рует количество импульсов. Если число импульсов меньше четырех, она снова выдает код нижней частоты генератора 1. В результате на блок интерфейса 14 поступает следующий импульс. При выполнении указанного условия микроЭВМ 15 переходит на подпрограмму вычисления коэффициентов калибровки. После завершения вычислений микроЭВМ 15 анализирует условие равенства частоты, на которой произошла калибровка верхней частоте генератора 1. Если усилие не выполняется, то генератор 1 перестраивается на следующую частоту и процесс повторяется. При выполнении указанного условия первый этап калибровки заканчивается. Процедура остальных этапов калибровки аналогична.

В режиме измерения исследуемый четырехполюсник 6 включается в измерительный тракт. При измерении Sn с помощью микроЭВМ 15 производятся те же переключения, что и при первой калибровочной операции. При этом напряжения Ui1n, U an, U1 3n, U на выходе детектора 22 измерителя мощности 12 при различных значениях фазового сдвига будут определяться следующими выражениями: при Ар 0° U щ Ki/Ai/2 (/Sn /2 + /Sn /

/Bi/Ai/xcos +/Bi/Ai/2)l I2

при Д 90° U12n Ki (/Sn /2 + 2 /Sn / /Bi/Ai/xsin +/Bi/Ai/2) I dn |2

при Ар 180°Ul3n Ki/Ai/2(/Sii/2-2/Sii/

/Bi/Ai/xcos pn + /Bi/Ai/2) 11 o}i I2 при 270° U 4n Ki/Ai/2(/Sn /2 - 2 /Sn / /Bi/Ai/ x sin p n + /Bi /Ai /2) | cb I 2

где On - комплексная амплитуда поля на выходе генератора 1 при измерении параметра Sn;

- разность аргументов комплексных величины S и и Bi/Ai.

При Л 0° напряжение Din1 с выхода измерителя мощности 12 поступает на информационные входы аналоговых блоков памяти 14-16. По сигналу с блока управления 13, поступающему на дешифратор 33, напряжение U in запоминается в блоке памяти 14.

При Д# 90° напряжение U2n по сигналу с блока управления 13 запоминается в блоке памяти 16,

При Ду 180° напряжение U3n по сигналу с блока управления 13 запоминается в блоке памяти 15.

При 270° напряжение Шп с выхода измерителя мощности 12 поступает непосредственно на один из входов блока вычитания 18, на другой вход которого подается напряжение U2n с выхода блока памяти 16.

На выходы блока вычитания 17 поступают сигналы IHn U зп с блоков памяти 14, 15.

Блоки вычитания 17, 18 попарно вычитают сигналы Lhn, U3n и U2n, U 4п. Напряжения

U By26 Uin-lA 2Ki/Ai/2/ a n/2/Sii / х х /Bi/Ai/cos fh

IV7 U2n-U4n 2 Ki/Ai/2 / a /2/Sa. /x x/Bi/Ai/sin (fh

с выходов блоков вычитания 17,18 поступают на электронно-лучевой индикатор 19. В результате на экране индикатора 19 появляется светящаяся точка.

Далее, в соответствии с программой вычисления /Si /, рп (см. блок-схему программы рис.6), микроЭВМ 15 анализирует условие СИГНАЛ ЗАПУСКА ПОСТУПИЛ. Если условие не выполняется, микроЭВМ 15 через интерфейс 14 перестраивает генератор 1 на следующую частоту и анализирует условие Fi FB (частота сигнала, вырабатываемая генератором 1, меньше верхней частоты рабочего диапазона). Если условие выполняется, на этой частоте процедура измерения повторяется. Если условие не выполняется (а это значит, что измерение произведено во всем диапазоне частот), измеритель с помощью микроЭВМ 15 устанавливается в исходное состояние (генератор 1 перестраивается на нижнюю частоту рабочего диапазона), и измерительный цикл повторяется.

Таким обрезом, на экране индикатора 21 формируются частотные характеристики

/5ц / и (fh исследуемого четырехполюсника 6.

Оператор нажатием кнопки 23(24) генератора 20 импульсов маркера перемещает маркер вправо (влево) по экрану индикатора 19 и устанавливает на входе коммутатора 31 код, соответствующий выбранной частоте

генератора 1.

При выполнении условия СИГНАЛ ЗАПУСКА ПОСТУПИЛ (при поступлении импульса с генератора 20 импульсов маркера на интерфейс 14) микроЭВМ 15 переходит

под подпрограмму вычисления / р / I /по алгоритмам

20 n,.-,, +u - u -uy- ui -py 2)

iu и ,„ + ui, + У(и,„ + и ,„Г - ( - uirf - (uln - ОСУ

4 +arctg()

Uln - U3n

где /Bi/Ai/, tfk - коэффициенты, полученные в результате калибровки. Полученные значения параметров выводятся на цифровой индикатор. Далее по сигналу с микро- ЭВМ 15 через интерфейс 14 генератор 1 перестраивается на следующую частоту. МикроЭВМ 15 проверяет выполнение условия FI FB. При выполнении этого условия микроЭВМ устанавливает генератор 1 на следующую частоту.

Далее осуществляется процесс управления измерителем, аналоговая обработка

сигналов и индикация /Sn /, рп на электроннолучевом индикаторе 19. После этого микроЭВМ 15 проверяет выполнение условия СИГНАЛ ЗАПУСКА ПОСТУПИЛ. Очевидно, что указанное условие в этом измерительном цикле уже не будет выполняться, так как код на входе генератора импульсов маркера 20 по своему значению уже больше кода на входе счетчика 30. Поэтому

далее программа пойдет по левой ветви, и на экране индикатора высветятся две точки частотных характеристик (/Sn /, Д|), расположенных по правую сторону от маркера. При выполнении условия FI FB цикл повторяется.

Как только это условие не выполнится, генератор 1 перестраивается на нижнюю частоту, и процесс измерения повторяется.

Из принципа работы аналогов и прототипов очевидно, что измерение частотных характеристик с использованием микроЭВМ 15 в силу сложности алгоритмов обработки (см (1), (2) занимает много времени (измеритель реагирует на изменение параметра при настройке четырехполюсника спустя некоторое время, что приводит к потере времени высококвалифицированного настройщика и снижению эффективности использования дорогостоящей аппаратуры).

С другой стороны, в условиях серийного производства, как правило, представляет интерес значение параметра в отдельно взятых точках (например, в точках, оговоренных техническими условиями на изготавливаемый предприятием четырехполюсник). В остальных точках частотной характеристики важно, чтобы измеряемый параметр не заходил за эти значения (а значит и за пределы установленных допусков в этих контрольных точках). Поэтому в предлагаемом измерителе точные значения параметров определяются с помощью микроЭВМ только в отдельно взятых точках (точках, на которые устанавливается маркер).

Проведенный эксперимент показал, что на измерение 127 частотных точек путем аналоговой обработки информации требуется порядка 80 миллисекунд. В то время как на измерение в одной точке с помощью микроЭВМ необходимо, в зависимости от сложности алгоритма и количества усреднений, от одной секунды до минуты. Отсюда нетрудно оценить выигрыш во времени, который составит не мене

127 -1000 В --80-- 1600

Таким образом, как следует из описания принципа работы измерителя, после введения в него новых элементов и связей он приобретает новые свойства, выраженные в способности измерять частотные характеристики исследуемых четырехполюсников в реальном масштабе времени, за счет аналоговой обработки сигналов и измерений параметров четырехполюсника в отдельных точках за счет цифровой обработки с помощью микроЭВМ, за счет чего экономится время на настройку и, следовательно, повышается производительность измерений.

Формула изобретения

Измеритель комплексных параметров СВЧ-четырехполюсника, содержащий последовательно соединенные СВЧ-генера- тор, первый направленный ответвитель, делитель мощности, первый управляемый аттенюатор и второй направленный ответвитель, выход первичного канала которого является выходом для подсоединения входа исследуемого СВЧ-четырехполюсника, последовательно соединенные второй управляемый аттенюатор, вход которого подсоединен к второму выходу делителя мощности, и третий направленный ответвитель, выход первичного канала которого является входом для подсоединения выхода

0 исследуемого СВЧ-четырехполюсника, последовательно соединенные управляемый переключатель, сумматор и измеритель мощности, при этом второй выход первого направленного ответвителя соединен с вто5 рым входом сумматора через управляемый фазовращатель, а ориентированный на отраженную волну выход вторичного канала второго направленного ответвителя и ориентированный на прошедшую волну выход

0 вторичного канала третьего направленного ответвителя соединены с входами управляемого переключателя, и блок управления и индикации, выходы которого подсоединены к управляющим входам управляемых атте5 нюаторов, фазовращателя и переключателя, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, измеритель мощности выполнен в виде последовательно соединенных квадратичного детектора,

0 вход которого является входом, а выход - аналоговым выходом измерителя мощности, и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), вход запуска которого подсоединен к первому дополнительному выходу блока уп5 равления и индикации, а выход подключен к входу блока управления и индикации и является цифровым выходом измерителя мощности, введен дешифратор, три выхода которого подсоединены к управляю0 щим входам введенных трех аналоговых блоков памяти, информационные входы которых подключены к информационному выходу измерителя мощности выход первого и выход второго блоков памяти

5 соединены с входами введенного первого блока вычитания, выход третьего блока памяти и информационный выход измерителя мощности соединены с входами введенного второго блока вычита0 ния, выход первого блока вычитания соединен-с Х-входом введенного электронно-лучевого индикатора, а выход второго блока вычитания - с его У-входом, второй дополнительный выход блока уп5 равления и индикации соединен с управляющим входом дешифратора, третий дополнительный выход блока управления и индикации соединен с управляющим входом СВЧ-генератор а , а вход запуска АЦП соединен с выходом введенного генератора маркера, управляющий вертому дополнительному выходу блока уп- входкоторого подключен к чет- равления и индикации.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения параметров радиотехнических устройств в диапазоне сверхвысоких частот. Сущность изобретения: измеритель содержит генератор СВЧ 1, направленные ответвители 2, 5, 7, делитель мощности 3, управляемые аттенюаторы 4,8, управляемые фазовращатель 9 и переключатель 10, сумматор 11, измеритель мощности 12, блок управления 13, аналоговые блоки памяти 14-16, блоки вычитания 17, 18, электроннолучевой индикатор 19, генератор 20 импульсов маркера, квадратичный детектор 21, АЦП 22 и дешифратор 23. 6 ил. . О М С

Фиг. 1

Блок- схема программы msivSpoSfco измерителя

Ja/jycx ЛЦП./ipeoffpejoSpHue а запись информации

St/vi/сление мзффщиемлоЛ / амЈроЈкц

( Начало J

Управление измерителем

Блок-схема программы измерене/я

( Начало J

Управление cj3Mepi//f7ejteMt аналоговая о&а - Вотки информации и индикации

Vtff leti /

1 ол (ЬНЛ MQfiz)

&1у.ое;Ј

Фиг. 5

Ц/у -ifi-rj

If ДМ 22 (/)

VA&ZZCV

(ву26

2KilfiB ti/cos

2 /М/Ш2

Фиг.б