Измеритель комплексных параметров СВЧ-четырехполюсника Советский патент 1993 года по МПК G01R27/02 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения комплексных параметров сверхвысококачественных четырехполюсников и двухполюсников.

Цель изобретения - повышение точности измерения комплексных параметров сверхвысокочастотного устройства.

На фиг. 1 приведена структурная схема электрическая измерителя комплексных параметров СВЧ-устройства; на фиг. 2 приведена структурная электрическая схема блока обработки и индикации; на фиг. 3 приведена блок-схема программы калибровки измерителя,

Измеритель содержит соединенные последовательно СВЧ-генератор 1 и первый направленный ответвитель 2, второй направленный ответвитель 3, первый переключателе 4, первым входом подключенный к выходу второго канала второго направленного ответвителя, первую согласованную нагрузку 5, соединённую с первым выходом переключателя 4, сумматор 6, подключенный первым входом ко второму выходу переключателя 4, фазовращатель 7, выходом соединенный со втбрым входом сумматора

6, блок обработки и индикации, подключенный СВЧ входом к выходу сумматора 6, исследуемое устройство 9, выходом соединенное со вторым входом переключателя 4, вентиль 10, включённый между выходом основного канала первого и входом основного канала второго направленных ответвите/чей 2 и 3 соответственно, первый амплитудный модулятор 11, включенный между выходом основного канала второго направленного ответвителя 3 и входом исследуемого устройства 9. первый генератор низкой частоты 12, подключенный ко входу управления модулятора 11, второй амплитудный моду лятор 13, выходом соединенный со входом фазовращателя 7, второй генератор низкой частоты 14, подключенный ко входу управления модулятора 13, второй переключатель 15, первым входом соединенный с выходом вторичного канала ответвителя 2, вторую согласованную нагрузку 16, подключенную к первому выходу переключателя 15,

Блок обработки индикации 8 содержит СВЧ квадратичный детектор 17, входом соединенный с аналоговым входом блока обработки и индикации 8, фильтры 18, 19, 20, настроенные на частоты соответственно QI,

(Л

о ю

О)

ю ел

Ог, Ј2i + Ј&. входами подключенные к выходу детектора 17, переключатель 21, сигнальными входами подключенный к выходам фильтров 18, 19, 20 соответственно, амплитудный низкочастотный детектор 22, входом соединенный с выходом переключателя 21, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 23, входом подключенный к выходу детектора 22, блок сопряжения 24, микроЭВМ 25, блок индикации 26.

Измеритель комплексных параметров СВЧ-устройства работает следующим образом.

Режиму измерения предшествует пять этапов калибровки, Первые три этапа калибровки предназначены для измерения Sn. §22. Четвертый и пятый этапы необходимы для измерения Sz, 812.

На первом этапе калибровки определяются сигналы, характеризующие модули коэффициентов передачи канала (ответвитель 2, переключатель 15, модулятор 13, фазов- ращатель 7) при двух положениях фазовра- щателя 7. Для этого измерительный канал (ответвитель 2, вентиль Л0, ответвитель 3; модулятор 11, исследуемый элемент 9, модулятор 11, ответвитель 3, переключатель 4) разрывается с помощью переключателя 4, микроЭВМ 25 устанавливает генератор 1 на наименьшую частоту рабочего диапазона FH, фазовращатель 7 в положении нулевого сдвига, а переключатель 21 в первое положение. С помощью генератора 1 модулятор 13 модулирует по амплитуде с частотой QI проходящий через него СВЧ-сигнал. Фильтр 18 выделяет сигнал с частотой QI. Детектор 22 детектирует этот сигнал, в результате на его выходе появляется напряжение

Ui KAKi2KЈ Mi2E02,

где Кд,- коэффициент преобразования детектора 17;

KI - модуль коэффициента передачи опорного канала;

КЈ- результирующий коэффициент передачи фильтра 18, переключателя 21, детектора 22;

Ео - амплитуда сигнала на выходе ответ- вителя 2;

Mi - коэффициент модуляции модулятора 13.

По сигналу с микроЭВМ 25 АЦП 23 преобразует Ui в цифровой эквивалент NI, который через блок сопряжения 24 поступает в память микроЭВМ 25. По сигналу с микро- ЭВМ 25 фазовращатель 7 устанавливается в состояние 90° фазового сдвига и аналогично описанному выше, на выходе детектора 22 появляется напряжение

U2 КЛК22 0 Mi2E02,

где «2 - модуль коэффициента передачи опорного канала во втором положении фа- зовращателя 7.

Сигнал U2 преобразуется в цифровой

эквивалент N2 и запоминается. МикроЭВМ 25 определяет и запоминает также коэффициент yi Ni/N2. На других частотах указанные коэффициенты определяются аналогично.

На втором этапе .калибровки определяется сигнал, характеризующий модуль коэффициента передачи измерительного канала. Для этого с помощью переключателя 4 восстанавливается измерительный канал,

опорный канал с помощью переключателя 15 разрывается. К выходу модулятора 11 подключается короткозамыкатель. Микро- ЭВМ 25 устанавливает генератор 1 на частоту FH, а переключатель 21 во второе

положение. Сигнал с генератора 1 проходит на ответвитель 3, где разветвляется на две составляющие. Первая составляющая Епар из-за конечной направленности ответвите- ля 3 просачивается на первый вход сумматора. 6, Вторая составляющая попадает на модулятор 11, где с помощью сигнала с частотой Q с генератора 12 модулируется по - амплитуде. Отразившись от короткозамыка- теля, СВЧ-сигнал снова модулируется по

амплитуде в модуляторе 11, затем.попадает на ответвитель 3, где разветвляется на две части. Первая часть поглощается вентилем 10 и на ответвитель .2 не просачивается, другая составляющая проходит на четвертый вход сумматора 6. Фильтр 19 выделяет сигнал Уз с частотой ЈЈ.

из КдКз2К М22Е02(1 + - cospi).

где Кз - модуль коэффициента передачи измерительного канала;

К4 - модуль коэффициента передачи паразитного канала;

(pi - сдвиг фаз между полезным и паразитным каналами;

Ma- коэффициент модуляции модулятора 11.

Напряжение УЗ преобразуется в АЦП 23 в цифровой эквивалент N3 и через блок сопряжения 24 этот цифровой код подается на блок индикации 26. Регулировкой положения короткозамыкателя оператор определяет максимальное и минимальное значения М,г МикроЭВМ 25 реализует алгоритм

Х

Nmax + Nmin

и запоминает

Y2 КдКз2КЈ М22Е02.

На остальных частотах калибровка осуществляется аналогично.

На третьем этапе калибровки оценивается неточность установки фазовращателя 7. С помощью переключателя 15 восстанавливается опорный канал. МикроЭВМ 25 устанавливает переключатель 21 в третье положение, фазовращатёль 7 в положение нулевого сдвига, а генератор 1 на частоту FH. Фильтр 20 выделяет сигнал частотой Qi + ЈЈ, поэтому на выходе детектора 22 появляется напряжение

«. U4 2КдК1КзЬ MiM2E02cos рг,

где рг фазовый сдвиг, обусловленный неравенством длин электрических опорного и измерительного каналов.

Сигнал U4 преобразуется в N4 и запоминается. Далее микроЭВМ 25 сообщает фа- зовращателю 7 дополнительный фазовый сдвиг, равный Ду 5-7°. В результате на выходе детектора 22 появляется напряжение

Us 2КдК1Кз1 Ј MiM2Eo2cos(.p2 + Др).

При этом ввиду малости Кч практически не изменяется. Сигнал Us преобразуется в NS, микроЭВМ 25 реализует алгоритм

N4

2V

Niya

-, yi

N5

2V

и в соответствии с блок-программой (фиг.З) однозначно определяет значение р2 и запоминает его.

Аналогично, при сообщении 90° фазового сдвига фазовращателю 7 на выходе детектора 22 появляется напряжение

иб 2КдК2Кз Ј MiM2E02sin(),

где (рз - сдвиг фазы из-за неточности установки фазовращателя 7 в состояние 90° сдвига.

Сигнал Об преобразуется в Ne и фазовращателю 7 сообщается сдвиг Дуз. В результате на выходе детектора 22 появляется сигнал Uy 2КдК2КзКЈ MiM2Eo2sln(y72 + Др).

который преобразуется в N. МикроЭВМ 25 реализует алгоритмы и по блок-программе, аналогичной приведенной на фиг. 3, определяет значение рз pi + (рз- В итоге становится известен ( Значение уъ

запоминается. На других частотах измерителя (pi, (рз определяются аналогично.

На четвертом этапе калибровки вместо исследуемого устройства в измеритель включается отрезок волновода и определяется модуль коэффициента передачи измерительного канала (ответвитель 2, вентиль 10, ответвитель 3, модулятор 11, отрезок волновода, переключатель 4). При этом опорный канал с помощью переключателя

15 разрывается. МикроЭВМ 25 устанавливает генератор 1 на частоту FH, а переключатель 21 во второе положение. Сигнал с генератора 1 проходит по измерительному каналу и модулируется по амплитуде в модуляторе 11. Сигнал на выходе детектора 22 имеет вид

Us КДК42К М22Е02,

где К4 - модуль коэффициента передачи измерительного канала.

Напряжение Us преобразуется в NS и запоминается. На других частотах NS определяется аналогично.

На пятом этапе калибровки с помощью переключателя 15 восстанавливается опорный канал и определяется фазовый сдвиг р5, обусловленный неравенством электрических длин опорного и измерительного

каналов. МикроЭВМ 25устанавливает генератор 1 на частоту FH, фазовращатёль 7 в состояние нулевого фазового сдвига, а переключатель 21 в третье положение. Фильтр 20 выделяет сигнал с частотой Qi + Si и на

выходе детектор 22 появляется сигнал

Ug 2KflKiK2l Ј MiM2E02cos /,

который преобразуется в Ng и запоминает- ся. Далее микроЭВМ 25 сообщает фазовращателю 7 дополнительный сдвиг Ду. На выходе детектора 22 появляется сигнал

Uio 2КДК1К4К MiM2E02cos(y35 + Ду),

который преобразуется в Мю. В соответствии с блок-программой, аналогичной приведенной на рис. 3, микроЭВМ 25 реализует алгоритмы

Ng

N1 Ns

N10

NiNB

определяет значение уъ и запоминает его. На других частотах процедура определе- ния р5 аналогична.

На этом калибровка заканчивается, к измерителю подключается исследуемое устройство, переключателем 4 подключается второй выход ответвителя 3 к первому входу сумматора 6, переключателем 15 второй выход ответвителя 2 соединяется со входом модулятора 13. При этом измеритель готов к измерению 5ц. $22. МикроЭВМ 25 устанавливает генератор 1 на частоту FH переключатель 21 в третье положение, а фазовращатель 7 в состояние нулевого сдвига. На выходе детектора 22 появляется сигнал

Oil - 2КдК1Кз$иК MiM2E02cos(pii + pi

где уж - измеряемый фазовый сдвиг.

Напряжение Un преобразуется в Nil..- МикроЭВМ 25 сообщает фазовращателю 7 25 сдвиг Дух На выходе детектора 22 пояйля- ется сигнал

Ui2 2KAKiK3Siil MiM2Eo2cos(p11 + + (),

который преобразуется в N12. МикроЭВМ 25 анализирует соотношения Между сигналами Nil, N12 по программе, аналогичной 35 приведенной на рис. 3, определяет квадрант, в котором находится 7711, устанавлива- зт фазовращатель 7 в состояние 90° сдвига 1 на выходе детектора 22 появляется напряжение40

Ui3 2KAK2K3Snl MiM2E02sin(pii +

+ #г +#j),.

которое преобразуется в N13. МикроЭВМ 25 реализует алгоритм

Nl2 - sin fr

N11

СО Si/Эз

-(pi

и, учитывая информацию о квадранте, окончательно определяет рц. Sn определяется по алгоритму

811

N11

VNDS cos fy

5

Ю. 15

0

5

0

5 0

На других частотах Sn, рп определяются аналогично. Процедура определения S22, f%2 не отличается от описанной выше.

Для измерения $21, дат переключатель 4 переводится в положение, при котором выход четырехполюсника 9 соединяется с первым входом сумматора 6. МикроЭВМ 25 устанавливает генератор 1 на частоту FH, фазовращатель 7 в состояние нулевого сдвига, переключатель 21 в третье положение. Фильтр 20 выделяет сигнал с частотой Qi + Cfe. и на выходе детектора 22 появляется сигнал

U14 2KAKiK4S2il MiM2E02cos( + ),

который преобразуется в NM. МикроЭВМ 25 сообщает фазовращателю 7 сдвиг . На выходе детектора появляется сигнал

Ul5 2KflKiK4S2lK MiM2Eo2cos( +

+ ( + ),, .

который преобразуется в NIS. Анализируя соотношения между сигналам микроЭВМ 25 определяет квадрант, в ко юром находится устанавливает фазовращатель 7 в состояние сдвига. На выходе детектора 22 появляется сигнал

U16 2КДК2К4521 MiM2E02sin(2i + ps + yty,

который преобразуется sNie. МикроЭВМ 25 реализует алгоритм

21 arctg(Nie yi/Ni4 - sin /тз)/соз рз - (ps

и, учитывая информацию о квлдранто, окончательно определяет . $21 определяется по алгоритму :

$21 N14/ (VNi Ns COS p2l); .

На других частотах 821, pi определяются аналогично. Процедура определения 812, 12 не отличается от описанной выше. Таким образом, введение новых элементов и связей позволяет повысить точность измерения за счет исключения погрешностей, обусловленных конечной направленностью ответвителей, При этом снижается себестоимость производства измерителя за счет снижения требований к качеству изготовления направленных ответвителей. Формула изобретения Измеритель комплексных параметров СВЧ-четырехпопюсника, содержащий последовательно соединенные СВЧ-генератор и направленный ответвитель падающей волны, вторичный канал которого подключен к входу первого переключателя, второй переключатель, первый вход которого соединен с выходом вторичного канала направленного ответвителя отраженной волны, первый выход - с первой согласованной нагрузкой, второй выход - с первым входом сумматора, а второй вход является входом для подсоединения выхода исследуемого СВЧ-четырехполюсника, вторую согласованную нагрузку, соединенную с первым выходом первого переключателя, двоичный фазовращатель, соединенный с вторым входом сумматора, выход которого подключен к входу блока обработки и индикации, при этом управляющие входы СВЧ-генератора и двоичного фазовращателя соединены с управляющими выходами блока обработки и индикации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, введены первый амплитудный модулятор с генератором

первой низкой частоты, вход которого подсоединен к выходу первичного канала направленного ответвителя отраженной волны, а выход является выходом для подсоединения входа исследуемого СВЧ-четы0 рехполюсника, второй амплитудный модулятор с генератором второй низкой частоты, включенный между вторым выходом первого переключателя и входом двоичного фазовращателя, а также вентиль, включен5 ный между выходом первичного канала направленного ответвителя падающей волны и входом направле.нного ответвителя отраженной волны.

Использование: изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения комплексных параметров СВЧ-четырехполюсников и двухполюсников. Сущность изобретения: измеритель содержит СВЧ-генератор 1, направленные ответвители 2, 3, переключатели 4, 15, согласованные нагрузки 5, 16, сумматор 6, двоичный фазовращатель 7, блок обработки и индикации 8, вентиль 10, амплитудные модуляторы 11, 13, генераторы низкой частоты 12, 14. 3 ил.

0до..4

Фаг. 2

fi a FH, переключатель 21Sтретье лм.

ft «#, olуаботка

, оЪрпЪшш

(Конец )

(Начало) Г

Фиг.З