Способ определения угла сдвига фаз СВЧ-устройства с преобразованием частоты

Изобретение относится к области радиоизмерений и может быть использовано при определении комплексных коэффициентов передачи СВЧ-устройств с преобразованием частоты, например, СВЧ-смесителей.

Известно, что для описания электрических характеристик СВЧ-устройств была разработана система S-параметров в виде матрицы рассеяния, которая получила чрезвычайно широкое распространение. S-параметры матрицы рассеяния в зависимости от их индексов представляют собой либо коэффициенты передачи, либо коэффициенты отражения СВЧ-устройства. При этом, коэффициенты передачи и отражения являются величинами комплексными, требующими для своего полного описания знания их модуля и аргумента. Однако согласно Каталогу «Изделия промышленности средств связи», серия «Радиоизмерительные приборы». -М. ЦООНТИ «ЭКОС» - 1989. - С. 65-68 и по ГОСТу 15094-86 «Средства измерений электронные. Наименования и обозначения» при описании характеристик радиоизмерительных приборов, относящихся к группе Р4 и предназначенных для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения, вместо термина «аргумент» используют термин «фаза». Следует отметить, что при определении комплексного коэффициента передачи СВЧ-устройства, наиболее технически сложной задачей является как раз измерение фазы этого коэффициента. В большинстве случаев, если решена задача измерения фазы комплексного коэффициента передачи, то измерение его модуля не представляет технических сложностей.

Поэтому, учитывая вышеизложенное, далее под словосочетанием «угол сдвига фаз СВЧ-устройства» будем понимать фазу комплексного коэффициента передачи этого СВЧ-устройства, то есть фазовый сдвиг, который СВЧ-устройство вносит в проходящий через него сигнал.

Известен способ определения коэффициентов передачи четырехполюсников с преобразованием частоты (а.с.1596278, МПК G01R 27/28). Этот способ основан на том, что при помощи измерительного фазового моста измеряют в логарифмическом масштабе суммарный коэффициент передачи испытуемого и опорного четырехполюсников с преобразованием частоты соединенных последовательно, а затем, также при помощи измерительного фазового моста, измеряют в логарифмическом масштабе разностный коэффициент передачи испытуемого и опорного четырехполюсников с преобразованием частоты, соединенных параллельно. После этого по формуле определяют коэффициент передачи испытуемого четырехполюсника с преобразованием частоты. При этом необходимо уточнить, что в данном способе под термином «коэффициент передачи» на самом деле подразумевается модуль комплексного коэффициента передачи испытуемого четырехполюсника с преобразованием частоты. Но при этом такой способ позволяет определить и угол сдвига фаз испытуемого четырехполюсника с преобразованием частоты.

Однако погрешность измерения угла сдвига фаз четырехполюсника с преобразованием частоты в этом способе увеличивается с ростом частоты входного сигнала испытуемого четырехполюсника за счет нестабильности контактных СВЧ-соединений. Такой способ достаточно сложен в технической реализации и слабо поддается автоматизации, поскольку для этого требуется применение электромеханических СВЧ-переключателей, но при этом нестабильность фазового сдвига их контактов выше, чем у обычного СВЧ-соединения, и за счет этого увеличивается погрешность измерений.

Известен способ определения характеристик устройств с преобразованием частоты (пат. США 6690722, МПК Н04В 17/00). В этом способе на вход испытуемого устройства с преобразованием частоты подают входной сигнал исходной частоты, который в нем преобразуют в сигнал промежуточной частоты. Затем сигнал промежуточной частоты с выхода испытуемого устройства с преобразованием частоты подают на рассогласованный двухполюсник. Отраженный от рассогласованного двухполюсника сигнал промежуточной частоты подают обратно на испытуемое устройство с преобразованием частоты, в котором он преобразуется обратно в отраженный сигнал исходной частоты. Сравнивая два сигнала исходной частоты, входной и отраженный, судят о значении угла сдвига фаз испытуемого устройства с преобразованием частоты.

Способ имеет высокую амплитудно-фазовую погрешность, обусловленную различными уровнями падающего и отраженного сигналов, которая сравнима с погрешностью переключений в способе по а.с. 1596278. Кроме этого, данный способ имеет ограниченные возможности, поскольку в нем изначально предполагается, что испытуемое устройство с преобразованием частоты является взаимным. Поэтому такой способ не позволяет измерять параметры смесителей и преобразователей частоты со встроенными дополнительными устройствами, такими как усилители, циркуляторы, потому что такие устройства не обладают свойством взаимности.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ определения коэффициентов передачи преобразователей частоты (пат. 2029966, МПК G01R 27/28), заключающейся в преобразовании выходного сигнала промежуточной частоты исследуемого преобразователя в СВЧ-сигнал, частота которого равна частоте сигнала на его входе, с помощью обратновключенного первого опорного преобразователя частоты и измерении с помощью векторного анализатора СВЧ-цепей модуля и фазы суммарного коэффициента передачи исследуемого и первого опорного преобразователей частоты. Кроме того, измеряют модуль и фазу суммарного коэффициента передачи исследуемого и второго опорного преобразователя частоты, включаемого вместо первого опорного преобразователя частоты. Затем измеряют модуль и фазу суммарного коэффициента передачи первого опорного преобразователя частоты, включаемого в прямом направлении, и второго опорного преобразователя частоты, включаемого в обратном направлении. После этого вычисляют модуль и фазу коэффициентов передачи исследуемого преобразователя частоты, первого опорного преобразователя и второго опорного преобразователя, т.е. такой способ также позволяет определить абсолютное значение угла сдвига фаз СВЧ-устройства с преобразованием частоты.

Способ имеет большую погрешность измерения угла сдвига фаз за счет нестабильности контактных СВЧ-соединений, поскольку даже если промежуточная частота не лежит в диапазоне СВЧ, такой способ содержит минимум четыре цикла соединения-разъединения на СВЧ.

Техническим результатом предлагаемого способа определения угла сдвига фаз СВЧ-устройства с преобразованием частоты является увеличение точности определения сдвига фаз.

Для достижения технического результата предлагается способ, включающий преобразование выходного сигнала промежуточной частоты исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты в СВЧ-сигнал, частота которого равна частоте сигнала на его входе, с помощью обратновключенного опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты и измерении с помощью векторного анализатора цепей суммарного угла сдвига Σϕ фаз исследуемого и опорного СВЧ-устройств с преобразованием частоты. В предлагаемом способе дополнительно измеряют разность Δ₁ϕ угла сдвига фаз исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты и фазы когерентного опорного сигнала, который получают от генератора опорных сигналов. Затем измеряют разность Δ₂ϕ угла сдвига фаз опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты и фазы когерентного опорного сигнала, который получают от генератора опорных сигналов. После этого значение угла сдвига фаз исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты определяют по формуле:

Заявленный способ отличается от прототипа тем, что вместо трех измерений с помощью векторного анализатора цепей суммарных углов фазового сдвига, исследуемого и опорных СВЧ-устройств с преобразованием частоты, которые требуют выполнения разъединений и соединений в СВЧ-трактах, в предлагаемом способе нет необходимости отсоединять исследуемое и опорное СВЧ-устройство с преобразованием частоты от измерительных портов векторного анализатора цепей.

За счет использования предлагаемого способа появляется возможность перенести все переключения, необходимые для реализации совокупных измерений, в низкочастотные цепи промежуточной частоты, где рассогласование трактов на соединениях незначительно. В результате этого исключается погрешность определения значения угла сдвига фаз, возникающая из-за нестабильности контактных СВЧ-соединений.

На чертежеизображена схема устройства, с помощью которого может быть реализован предлагаемый способ.

Устройство состоит из векторного анализатора цепей (ВАЦ) 1 с измерительными портами 2 и 3, гетеродина 4, исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты 5, опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты 6, первого 7, второго 8, третьего 9 переключателей, измерителя разности фаз 10, генератора опорных сигналов 11.

Измерительный порт 2 ВАЦ 1 связан с портом RF (англ. Radio Frequency - радиочастота) исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты 5, порт LO (англ. Local Oscillator - гетеродин) которого связан с гетеродином 4 и портом LO опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты 6, порт RF которого связан с измерительным портом 3 ВАЦ 1. Порт IF (англ. Intermediate Frequency - промежуточная частота) исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты 5 связан с подвижным контактом первого переключателя 7, первый неподвижный контакт которого связан с первым неподвижным контактом второго переключателя 8, подвижный контакт которого связан с портом IF опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты 6. Второй неподвижный контакт первого переключателя 7 связан с первым неподвижным контактом третьего переключателя 9, второй неподвижный контакт которого связан со вторым неподвижным контактом второго переключателя 8. Подвижный контакт третьего переключателя 9 связан с первым входом измерителя разности фаз 10, второй вход которого связан с генератором опорных частот 11. ВАЦ 1, гетеродин 4 и генератор опорных частот 11 синхронизированы между собой.

Первым положением переключателя будем считать такое положение, в котором подвижный контакт переключателя соединен с первым неподвижным контактом переключателя. Аналогично вторым положением переключателя будем считать такое положение, в котором подвижный контакт переключателя соединен со вторым неподвижным контактом переключателя.

Устройство работает следующим образом. Сначала переключатели 7 и 8 переводят в первое положение. Измеряют с помощью ВАЦ 1 суммарный угол сдвига фаз Σϕ исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты 5 и опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты 6. Для этого зондирующий СВЧ-сигнал с частотой ƒ₁ через измерительный порт 2 ВАЦ 1 подают на порт RF исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты 5. Этот зондирующий сигнал с частотой ƒ₁ в исследуемом СВЧ-устройстве с преобразованием частоты 5 с помощью сигнала с частотой ƒ₂, поступающего от гетеродина 4 через порт LO, преобразуется в низкочастотный сигнал промежуточной частоты ƒ₃=ƒ₁-ƒ₂. Сигнал промежуточной частоты ƒ₃ с порта IF исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты 5 через переключатели 7 и 8 подается на порт IF опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты 6. Этот сигнал промежуточной частоты ƒ₃ в опорном СВЧ-устройстве с преобразованием частоты 6, с помощью сигнала с частотой ƒ₂, поступающего от гетеродина 4 через порт LO, преобразуется обратно в зондирующий СВЧ-сигнал с частотой ƒ₁, который поступает в ВАЦ 1 через измерительный порт 3. Благодаря обратному преобразованию частоты сигнала ƒ₃ в опорном СВЧ-устройстве с преобразованием частоты 6 в частоту исходного сигнала ƒ₁ два последовательно соединенных между собой СВЧ-устройства с преобразованием частоты 5 и 6 воспринимаются ВАЦ 1 как обычный четырехполюсник без преобразования частоты. В результате ВАЦ 1 сравнивает по фазе сигналы на своих измерительных портах 2 и 3 и таким образом измеряет суммарный угол сдвига фаз Σϕ исследуемого 5 и опорного 6 СВЧ-устройств с преобразованием частоты в виде: Σϕ=ϕ_u+ϕ₀. Затем переключатель 7 переводят во второе положение, а переключатель 9 в первое положение. Зондирующий СВЧ-сигнал с частотой ƒ₁ через измерительный порт 2 ВАЦ 1 подают на порт RF исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты 5. Этот зондирующий сигнал с частотой ƒ₁ в исследуемом СВЧ-устройстве с преобразованием частоты 5 с помощью сигнала с частотой ƒ₂, поступающего от гетеродина 4 через порт LO, преобразуют в низкочастотный сигнал промежуточной частоты ƒ₃=ƒ₁-ƒ₂. Сигнал промежуточной частоты ƒ₃ с порта IF исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты 5 через переключатели 7 и 9 поступает на первый вход измерителя разности фаз 10, где сравнивается с таким же по частоте ƒ₃ когерентным опорным сигналом, поступающим от генератора опорных сигналов 11. Таким образом измеритель разности фаз 10 определяет разность Δ₁ϕ угла сдвига фаз ϕ_u исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты 5 и фазы ϕ_с когерентного опорного сигнала, который получают от генератора опорных сигналов 11 в виде: Δ₁ϕ=ϕ_u-ϕ_с. После этого переключатели 8 и 9 переводят во второе положение. Зондирующий СВЧ-сигнал с частотой ƒ₁ через измерительный порт 3 ВАЦ 1 подают на порт RF опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты 6. Этот зондирующий СВЧ-сигнал с частотой ƒ₁ в опорном СВЧ-устройстве с преобразованием частоты 6, с помощью сигнала с частотой ƒ₂, поступающего от гетеродина 4 через порт LO, преобразуется в низкочастотный сигнал промежуточной частоты ƒ₃=ƒ₁-ƒ₂. Сигнал промежуточной частоты ƒ₃ с порта IF опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты 6 через переключатели 8 и 9 поступает на первый вход измерителя разности фаз 10, где сравнивается с таким же по частоте ƒ₃ когерентным опорным сигналом, поступающим от генератора опорных сигналов 11. Таким образом измеритель разности фаз 10 определяет разность Δ₂ϕ угла сдвига фаз ϕ_o опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты 6 и фазы ϕ_с когерентного опорного сигнала, который получают от генератора опорных сигналов 11 в виде: Δ₂ϕ=ϕ_o-ϕ_с.В результате выполненных измерений получают систему из трех уравнений:

из которой значение ϕ_u угла сдвига фаз исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты находят по формуле:

Наличие постоянной связи между портами RF исследуемого 5 и опорного 6 СВЧ-устройств с преобразованием частоты и измерительными портами 2 и 3 ВАЦ 1 исключает погрешность рассогласования, вызванную нестабильностью СВЧ-соединений в трактах. Все переключения и соединения, необходимые для реализации измерений суммарных и разностных углов сдвига фаз, выполняют с помощью переключателей 7, 8, 9 в низкочастотном диапазоне, где фазовая погрешность за счет рассогласований на контактах переключателей пренебрежимо мала. За счет этого увеличивается точность определения угла сдвига фаз исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты.