Способ калибровки анализаторов спектра Советский патент 1982 года по МПК G01R23/16 

(5) СПОСОБ КАЛИБРОВКИ АНАЛИЗАТОРОВ СПЕКТРА

Изобретение относится к измерительной технике и может быть, в частности, использовано для амплитуд ной калибровки анализаторов спектра СВЧ гармоникового типа. Известен способ калибровки по уро ню высокочувствительных измерительны приемников и анализаторов спектра СВЧ с использованием в качестве си.г нала с эталонным уровнем мощности сигнала от генератора шума D . Недостаток данного способа калибровки заключается в недостаточной чувствительности по входу (повышение уровня собственных шумов, приведенных ко входу) с повышением входной частоты в связи с тем, что потери преобразования входного смесителя увеличиваются с увеличением номера рабочей гармоники гетеродина (уменьшение чувствительности составляет в среднем дБ с увеличением номера гармоники на единицу). Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ калибровки, основанный на срав1чительном измерении сигналов при двух значениях частот гетеродина, при помощи которого определяется коэффициент передачи измерительного канала 2. Необходимость обеспемения калиброванного опорного уровня иа входе при измерении на всех частотах (путем измерения уровня или обеспечения постоянного во врекени уровня с помощью схемных решений) определяет основной недостаток известного способа, заключающийся в том, что для калибровки анализатора спектра (АС), работающего на гармониках гете-родина во всем диапазоне частот требуется набор встроенных ВЧ и СВЧ генераторов в количестве, равном числу используемых гармоник и измерителя мощности, т .е. целый набор дополнительной аппаратуры. Цель изобретения - повышение точности и упрощение процесса,измерений 39 абсолютных уровней сигналов в анализа торах спектра СВЧ гармоникового типа во всем рабочем диапазоне частот. Поставленная цель достигается тем что, в способе калибровки анализаторов спектра, основанном на измерении входного и выходного уровней сигнала на опорной частоте, а также коррек ции коэффициента передачи при каждом измерении, дополнительно измеряют на каждой последующей частоте выходной уровень сигнала при различных значениях гетеродинных частот, соответствующих преобразованию на соседних гармониках, и в каждом случае измеряют отношение выходных уровней, а коррекцию коэффициента передачи осуществляют по измеренному отношению. Сущность способа калибровки заклю чается в том, что наряду с использованием при калибровке источника синусоидального сигнала с калиброванны уровнем, обеспечивающим калибровку первого поддиапазона частот анализатора спектра, вводится дополнительная операция калибровки относительны коэффициентов передами каждого поддиапазона. Путем последовательного измерения одного и того же сигнала н соседних гармониках определяются поправочные коэффициенты на измерение коэффициента передачи анализатора спектра в зависимости от номера гармоники, которые вводятся в результаты измерения. Таким образом, анализа тор спектра становится прокалиброванным во всем диапазоне частот при работе на всех гармониках. При этом существенно то, что от источника си1- нала, используемого для определения относительного изменения коэффициента передачи от гармоники к гармонике не требуется эталонных свойств по уровню, так как операция относительной калибровки сводится к сравнитель ным измерениям одного и того же сигнала при разных настройках прибора. Рассмотрим подробнее суть калибровки по данному способу. На основании уравнений преобразования можно записать выражения для частот настройки сигнала и соответст вующие им частоты гетеродина fr nqi If С пча fr , г N C . где - частота сигнала; fp - частота гетеродина; пч первая промежуточная частота;Пчо вторая промежуточная частота;N - номера гармоник частоты гетеродина (N 2,3,4,..,). Из условий (т) и (2) можно найти ыражения для минимальных и максиальных значений частот сигналов (при пределенном номере гармоники N), оторые являются граничными частотаи поддиапазонов (D, 0,2. М+) анного анализатора спектра. Основное силие, на котором основан данный пособ калибровки можно записать: fcMdKc(D-i) cMdKc l) ) CMdKc t N ) N + 1 Учитывая, что при всех 7/1 и что на практике выбирают TtM Г ММН ледует, что для непрерывного перерытия диапазона входных частот и выолнения условий калибровки достаточо, чтобы Г ГМСНОЕ мин тч ,,: ,.:-(5) Uf 1 гмс1кс тгминтаким перекрытием частоты использу тся гатеродины в анализаторе спектр армоникового типа. При выполнении условий () и (5) следуют значения частот настройки г сигналу (частоты калибровки fcKOA и соответствующие им значения частоi настройки гетеродина ( поддиапазонам (0, которые запишутся, как а) гк0А ID-,) 2frMviH- faM-i а).ал(Ом+1) 2frMnH %кал (N+-1 ) 2NfrMMH -foMli б)frKc(A(Dm«z) 2 j frMMH (6) Ha фиг, 1 и 2 представлены графики настройки по частоте анализатора спектра гармоникового типа, использующего преобразование типа (1), на которых отмечены границь поддиапазонов, калибровочные частоты дл соответствующие им, частоты настройки гетеродина frK.0A С) На фиг. Зо и 36 изображены спектрограммы на экране индикатора АС си|- налов с одинаковым уровнем с частота ми, соответствующими различным подди апазонам анализатора спектра.Фиг.3 ci соответствует случаю анализа до калибровки по уровню во всем диапазоне (видно, что сигналы одного и того же уровня имеют разные отклики на экране анализатора спектра). Фиг. 3 б соответствует случаю анализа, когда произведена предварительная калибров ка по предлагаемому способу. Видно, что сигналы одного и того же уровня дают один и тот же отсчет по шкале экрана анализатора спектра, т.е. погрешность измерения уровней, обусловленная переходом с одного поддиа пазона на другой, отсутствует На фиг. k представлен пример устройства для реализации способа. Процесс полной калибровки во всем диапазоне состоит из двух операций абсолютной калибровки первого диапазона (О) по низкочастотному источни ку сигнала с эталонным уровнем и относительной калибровки коэффициента передачи, состоящей в учете поправок по уровню при переходе от диапазона к диапазону, обусловленных непостоянством коэффициента передачи от изменения номера гармоники (относитель ная калибровка при помощи специального источника. Учет поправок по уровню при переходе с поддиапазона на поддиапазон выполняется следующим образом. На вход прибора включается источник, формирующий си гналы с частотами, соответствующими кал (например, .ге|нератор дискретных частот от 0,1 до 12-18 ГГц с интервалом через 100 МГц и уровнями мощности Р, т.д. Включается поддиапазон D, произВОДИТСЯ настройка входных цепей на частоту fcKoiA (D-,, DQ) , частоты ге(, измеряется теродина на fp над уровень сигнала Р. и запоминается соответствующее этому значению показание АС в 1-ом диапазоне Р(О). Включается поддиапазон 0, гетеродин настраивается на частоту (Dii), измеряется уровень того же сигнала Р,,, регистрируется соответствующее ему значение PI(DI), вычисляется поправка ЛР-f(D,Orj) P(D) - P(D() дб, обусловленная изменением коэффициента передачи при переходе от поддиапазона к поддиапазону. Аналогично (при соответствующих настройках) измеряется уровень калибровочного сигнала PQ на максимальной частоте 2-го и минимальной частоте поддиапазонов, вычисляется поправка лР((0|2,D) ГРо(0(2) - Pn(Dj)Jfl6. Такая операция выполняется для всех поддиапазонов, найденные поправки & РП учитываются путем коррекции показаний АС в режиме измерения абсолютных уровней, т.е. происходит выравнивание коэффициентов передачи в каждом поддиапазоне относительно первого (D), так как 1-й. поддиапазон калибруется с помощью низкочастотного эталонного сигнала, то следовательно при данном способе обеспечивается калибровка анализатора спектра по уровню во всех рабочих поддиапазонах. Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает калибровку по уровню анализатора спектра гармоникового типа во всем рабочем диапазоне вход1ных частот (при всех номерах рабочих гармоник чactoты гетеродина в отличии от известных способов с использованием низкочастотных сигналов с эталонным уровнем, обеспечивающим калибровку только первого поддиапазона) . Анализатор спектра (фиг. t) содержит входной блок 1 коммутации, калибровочный генератор 2, формирователь 3 гармоник, усилитель мощности, опорный генератор 5, первый переключатель 6 каналов, фильтр 7 нижних частот, смеситель 8, гетеродин 9, полосовой фильтр 10, смеситель 11, гетеродин 12, второй переключатель 13 каналов, преселектор Н, гармониковый смеситель 15, гетеродинный преобразователь 16 ПЧ, УПЧ 17, узкополосный фильтр 18, логарифмический усилитель 19, детектор 20, аналогоцифровой преобразователь 21, выходной блок 22 коммутации, вычислитель 23, запоминающий блок 2, блок 25 памяти и цифровой обработки, индикатор 26 с экраном, генератор 27 пилообразного напряжения, блок 28 управления частотой гетеродина, блок 29 управления частотой преселектора, адресный переключатель 30, блок 31 управления режимами. В 4одной разъем aнaлизatopa подключен ко входу блока 1 коммутации, 7Э другой вход которого подключен к калибровочному генератору 2, а третий вход подключен к последовательно сое диненным формирователю гармоник 3, усилителю k мощности и опорному генератору 5. Вход блока 1 коммутации подключен к первому переключателю 6 каналов, один выход переключателя 6 через фильтр нижних частот 7 подключен к смесителю 8, другой вход которого подключен к выходу гетеродина 9. Выход смесителя 8 через полосовой Фильтр 10 соединен с входом смесителя 11, другой вход которого подключен к выходу гетеродина 12. Выход вт рого смесителя 11 подключен к входу второго переключателя 13 каналов. Второй выход переключателя 6 каналов через преселектор 1 соединен с входом гармоникового смесителя 15, другой вход которого объединен с вхо дом смесителя 8 и выходом гетеродина 9. Выход смесителя 15 подключен к второму входу переключателя 13 каналов. Выход последнего соединен с последовательно включенными гетеродинным преобразователем 16 ПЧ,УПЧ17 узкополосным фильтром 18, логарифмическим усилителем 19, детектором 20, аналого-цифровым преобразователем 21 блоком 22 коммутации, один выход которого подключен к входу вычислителя 23, другой вход которого соединен с входом запоминающего блока 2k. Выход вычислителя 23 подключен к второ му входу блока 22 коммутации через блок 25 памяти и цифровой обработки подключен к входу индикатора 2б. Вто рой вход блока 25 памяти и цифровой обработки подключен к выходу генератора 27 пилообразного напряжения, подключенного одновременно к входам блока 28 управления частотой гетеродина и блока 29 управления частото преселектора. Третий выход блока 22 коммутации через адресный переключатель 30 соединен с запоминающим блоком 24. Выход блока 28 управления ча тотой гетеродина подключен к управляющему входу гетеродина 9- Выход блока 29 управления частотой преселек 2 тора подключен к управляющему входу преселектора 14. Управляющие входы входного блока 1 коммутации, выходного блока 22 коммутации и адресного переключателя 30 соединены с соответствующими выходами блока 31 управления режимами. Опытные данные, накопленные в процессе разработок и эксплуатации анализатора спектра гармоникового типа, показывают, что неопределенность (нестабильность) коэффициента передачи измерительного тракта анализатора спектра в условиях эксплуатации достигает дБ (основные составляющие: нестабильность передаточных характеристик преселектора, смесителя, аттенюатора, нестабильность сопряжения преселектора и смесителя и т.д.). Таким образом, калибровка по уровню во всем диапазоне частот в условиях эксплуатации позволяет исключить вышеуказанные погрешности и тем самым повысить точность измерения уровней в 2-2,5 раза. Формула изобретения Способ калибровки анализаторов спектра, основанный на измерении входного и выходного уровней сигнала на опорной частоте, а также коррекции коэффициента передачи при каждом измерении, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения процесса измерений, дополнительно измеряют на каждой последующей частоте выходной уровень сигнала при различных значениях гетеродинных частот, соответствующих преобразованию на соседних гармониках, и в каждом случае измеряют отношение выходных уровней, а коррекцию коэффициента передачи осуществляют по измеренному отношению, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Ргос. IEEE, voE 66, 1978, 31-35. 2.Измерения в электронике. Под ред. В. Доброхотова, т. 2,19б5, с.164. l/r //««J & SA S f(jl-.) IllЛ J. V/ww ГЯйЛ JrnuH. (P, fy), JOABMBr -H ад-г-1 U92WA6HBT 18ГП4 0 фиг. Ъаб fa-omit},., fcHoaffMfi //ow/7 18ГГц