УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СВЧ-УСТРОЙСТВ

Для описания свойств радиотехнических устройств наиболее удобно применять матричные способы. Для ВЧ- и СВЧ-устройств с распределенными параметрами чаще всего применяются волновые матрицы (матрицы рассеяния).

Различные типы СВЧ-устройств можно описать при  помощи падающих и отражённых волн, которые распространяются в подключенных к ним линиях передач. Связь между этими волнами описывается волновой матрицей рассеяния или матрицей S-параметров.

Зависимости между волнами выражаются матричными уравнениями:

где a₁, a₂, a_n – падающие волны,

b₁, b₂, b_n – отраженные или исчезающие волны.

Параметры s₁₁…s_nn называют параметрами матрицы, или S-параметрами. Они образуют матрицу рассеяния (S-матрицу) [5]. Элементы по главной диагонали матрицы – коэффициенты отражения входов, остальные элементы – коэффициенты передачи между входами/выходами.

Измерения на СВЧ, по сравнению с традиционными измерениями на более низких частотах, имеют свои особенности. В первую очередь, они являются следствиями свойств волн СВЧ, их распространения и преобразования.

Вот некоторые из них:

1. Излучение электромагнитных волн из отверстий и щелей в измерительной аппаратуре приводит к потерям и искажениям сигналов. Необходимо учесть это при проектировании измерителей, выполнив экранирование измерительных элементов и датчиков;
2. Отражения на соединениях, неоднородностях, сгибах, концах линий и т.д. вызывают искажение сигналов, ухудшают точность измерений;
3. Неоднозначность отсчета напряжений и токов на СВЧ заставляет переходить к мощности как характеристике уровня сигналов;
4. Необходимо переходить от матриц, связанных с импедансами, токами и напряжениями, к матрицам рассеяния [1, 2].

Амплитудно-частотной характеристикой линейной цепи называют частотную зависимость модуля его комплексного коэффициента передачи  (частотная зависимость аргумента комплексного коэффициента передачи называется фазочастотной характеристикой), а приборы, предназначенные для получения частотных зависимостей модуля коэффициента передачи, называют измерителями АЧХ, или скалярными анализаторами цепей.

Для четырехполюсного устройства этот коэффициент передачи рассчитывается как отношение комплексных амплитуд напряжений на выходе  и на входе :

При исследовании частотных характеристик устройств СВЧ чаще используют не напряжения, а мощности, передаваемые с входа на выход. Данная характеристика называется ослаблением и выражается формулой:

Существует несколько способов измерения АЧХ:

1.Измерения АЧХ по точкам;

2.Панорамный метод;

3.Метод разделения волн;

4.Измерение с помощью анализатора спектра. 3, 4

Предлагаемая схема измерителя АЧХ, представленная на рисунке 1, представляет собой типичный микропроцессорный измеритель, в котором использован метод измерения по точкам.

Рисунок 1. Структурная схема измерителя АЧХ

Главным блоком в представленной схеме является микроконтроллер, который выполняет следующие функции:

1.Управление генератором СВЧ сигнала и коэффициентом усиления выходного напряжения;

2.Измерение входных и выходных напряжений;

3.Вычисление отсчетов АЧХ;

Блок сопряжения с персональным компьютером (ПК) служит для организации обмена данными между измерителем АЧХ и ПК по интерфейсу USB. Его задачи: контроль наличия соединения, получение и обработка команд от ПК, передача данных об отсчетах АЧХ и служебной информации на ПК.

Генератор СВЧ сигнала, управляемый микроконтроллером, формирует синусоидальный сигнал, который усиливается усилителем СВЧ сигнала. Делитель мощности делит входной сигнал пополам и передает его на детектор входного сигнала и исследуемое устройство. Детектор выходного сигнала фиксирует напряжение на  выходе исследуемого устройства. Усилитель в цепи выходного детектора имеет переменный коэффициент усиления для расширения диапазона измерения. Входной и выходной сигналы передаются на АЦП микроконтроллера, после чего им вычисляется значение отсчета АЧХ.

На рисунке 2 представлен общий алгоритм работы устройства, описанного выше. Отдельно на рисунке 3 представлен алгоритм процесса измерения АЧХ.

Рисунок 2. Алгоритм работы устройства

Рисунок 3. Алгоритм измерения АЧХ

Список литературы:

1. Vendelin G.D., Pavio A.M., Rohde U.L. Microwave circuit design using linear and nonlinear techniques. N.Y.: Wiley, 1990.
2. Андронов Е.В., Глазов Г.Н.  Теоретический аппарат измерений на СВЧ: Т. 1. Методы измерений на СВЧ. Томск: ТМЛ-Пресс, 2010. 804 с.
3. Данилин, А. А. Измерения в технике СВЧ : учеб. пособие. –М: Радио-техника, 2008
4. Измерение параметров радиотехнических цепей / Б. А. Абубакиров; под ред. В. Г. Андрущенко, Б. П. Фатеева. - М.: Радио и связь, 1984. - 247 с. : ил. - Библиогр.: с. 240-245 (111 назв.). - Б. ц.
5. Титце У., Полупроводниковая схемотехника 12-е изд. Том II: Пер. с нем: учебник / У.Титце, К.Шенк – М.: ДМК Пресс, 2007. – 942 с.: ил.