МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ СВЧ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС

July 3, 2012 by admin Комментировать »

Звягинцев А. О., Иванов А. И., Погарский С. А., Стрижаченко А. В., Чижов В. В. Харьковский национальный университет им. В. Н. Каразина пл. Свободы, 4, Харьков 61077, Украина e-mail: alexei.i.ivanov@univer.kharkov. иа

Аннотация приведены результаты разработки многофункционального комплекса для сложных измерений на СВЧ. Изложен принцип работы и указаны пути усовершенствования представленного устройства.

I.  Введение

Разработка и наладка современных СВЧ устройств невозможна без комплекса приборов, обеспечивающих измерение частоты гармонических и импульсных источников СВЧ, оценку выходного спектра передающих устройств, измерение КСВН и ослабления пассивных узлов, получение диаграмм направленности антенн, распределений поля и т.д. Однако большое количество измерительной техники приводит к значительному усложнению процесса измерений. Поэтому среди ведущих производителей измерительной СВЧ техники наблюдается тенденция к созданию универсальных программно-аппаратных комплексов, обеспечивающих единый интерфейс пользователя для всех видов измерений, а также исключительную гибкость, вплоть до написания собственного сценария хода измерений и их обработки на языке MATLAB [1]. Однако, такие комплексы довольно дороги и зачастую не удовлетворяют тем или иным требованиям к процессу измерений. Авторами изготовлен комплекс, предназначенный для управления с компьютера ГКЧ с аналоговым управлением частотой и выходной мощностью, механическими перемещениями (например, зондов или гониометров), а также измерения частоты и спектра источников СВЧ и подключения дополнительной измерительной аппаратуры через интерфейс КОП (IEEE-488).

II.     Архитектура и функционирование комплекса

Комплекс состоит из программного обеспечения, установленного на компьютере (ПК) и устройства сопряжения с периферией. Он был разработан в соответствии со следующими принципами:

•       максимальная гибкость, позволяющая, при необходимости, легко менять конфигурацию измерительной схемы;

•       максимальное упрощение аппаратной части устройства и доступность элементной базы.

В соответствии с первым принципом, устройство сопряжения имеет 3 варианта связи с компьютером: USB, RS-232, IRDA, а также 16 дискретных линий ввода-вывода, которые могут быть использованы как интерфейс КОП или неполный аналог интерфейса LPT, 8 аналоговых входов для подключения детекторов или других датчиков, 6 аналоговых выходов для управления частотой и амплитудой ГКЧ, напряжением смещения детекторов и другими периферийными узлами. В устройстве применен микроконтроллер и программируемая логика с флэш-памятью, что позволяет оперативно менять конфигурацию комплекса.

В соответствии со вторым принципом, в устройстве реализована цифровая обработка сигналов (ЦОС) детекторов, позволяющая отказаться от НЧ фильтров, детекторов и аналоговых перемножителей, а также цифровая автоматическая регулировка мощности (АРМ).

Структурная схема устройства сопряжения представлена на рис.1. Его основу составляет микропроцессорное ядро. Оно обеспечивает обмен информацией между узлами устройства и ПК, а также реализацию алгоритмов автоматической регулировки. Сигналы с детекторов и аналоговых входов усиливаются линейными широкополосными усилителями и оцифровываются аналогово-цифровым преобразователем (АЦП). Управляющие напряжения для ГКЧ и других устройств вырабатываются при помощи цифроаналогового преобразователя (ЦАП).

Устройство позволяет управлять с ПК тремя асинхронными или коллекторными реверсивными моторами для осуществления механических перемещений. Количество оборотов, произведенных моторами, подсчитывается при помощи оптических датчиков или датчиков Холла. Устройство также имеет входы для подключения концевых датчиков, срабатывание которых определяет диапазон перемещений.

Для измерения и стабилизации частоты, а также оценки спектра источников СВЧ, в устройстве предусмотрены сменные гетеродинные блоки. Принцип действия этих блоков состоит в преобразовании сигнала источника СВЧ вниз по частоте. Исследуемый сигнал с входа СВЧ (рис.1) поступает на смеситель, на второй вход которого поступает сигнал гетеродина с сеткой частот, стабилизированной петлей ФАПЧ. С выхода смесителя сигнал ПЧ поступает на резонансный усилитель и далее на входы детектора, частотомера, низкочастотного смесителя и второй петли ФАПЧ. Алгоритм измерения частоты состоит в перестройке гетеродина и регистрации напряжения детектора. Если на входе присутствует СВЧ сигнал достаточной амплитуды, то на выходе детектора при некоторых значениях частоты гетеродина напряжение превысит заданный порог. По разности частот гетеродина, на которых порог был превышен, находится номер гармоники N, а разность между частотой исследуемого сигнала и опорной частотой измеряется при помощи встроенного относительно низкочастотного частотомера. Выходной сигнал второй (низкочастотной) петли ФАПЧ складывается с сигналом АЦП, осуществляя подстройку ГКЧ к заданному значению частоты. При этом на АЦП необходимо подавать код, соответствующий ближайшей к заданной частоте ГКЧ.

В режиме измерения спектра входного сигнала используется двойное преобразование частоты для увеличения частотного разрешения измерителя. При этом низкочастотный синтезатор PLL2 формирует частотную сетку второго гетеродина.

Устройство сопряжения также содержит два генератора псевдослучайных последовательностей для модуляции двух ГКЧ в многогенераторных измерительных схемах.

Рис. 1. Структурная схема комплекса Fig. 1. Block scheme ofthe system

Частотомер, схема запуска частотомера, синтезаторы и генераторы ПСП обеспечиваются опорной частотой термостатированным кварцевым генератором. При необходимости, эти входы можно подключить к внешнему высокостабильному задающему генератору.

Программное обеспечение комплекса состоит из приложения Microsoft Windows, набора динамических библиотек, а также набора функций для пакета Matlab. Приложение Windows предназначено для проведения несложных измерений, таких как измерение КСВН или ослабления. Набор библиотек и набор функций предназначены для использования в программах пользователя, реализующих сложные алгоритмы измерений, а также последующую математическую обработку результатов.

III.    Технические характеристики устройства

Устройство было испытано с ГКЧ-61 и ГКЧ от комплекса Р2-65 (частотный диапазон 8 12 и 24 40 ГГц соответственно). Были получены следующие параметры:

•       Динамический диапазон при скалярном измерении ослабления не хуже 40 дБ.

•       Динамический диапазон измерения КСВН –

1,05…20.

•       Погрешность измерения ослабления ±(0,3+0,05А) дБ.

•       Шаг сетки частот ГКЧ и анализатора спектра 15КГц.

•       Время замыкания высокочастотной петли ФАПЧ

–               менее 50 мс, низкочастотной петли менее 200 мс в режиме стабилизации частоты ГКЧ и 50 мс в режиме анализатора спектра.

•       Минимальная мощность источника при использовании однодиодного смесителя на гармониках и измерении частоты 24. ..40 ГГц 100 рВт.

•       Точность измерения частоты гармонического источника ±10 Гц без учета погрешности установки опорной частоты.

Таким образом, основными недостатками данного устройства по сравнению с аналогичными разработками (см. например [2]) являются большое время перестройки по частоте и большой шаг частотной сетки. Эти недостатки обусловлены выбранной схемой синтеза частоты, а также применением интегральных синтезаторов широкого применения (15 бит). В последующих версиях комплекса планируется применение новых синтезаторов с дробным коэффициентом деления, повышенной частотой работы фазового детектора и граничной входной частотой 6 ГГц, что позволит обеспечить шаг сетки менее 1 Гц, а также уменьшить время перестройки, повысить чувствительность и увеличить верхнюю рабочую частоту за счет уменьшения кратности умножения частоты гетеродина.

Существенно повысить чувствительность анализатора спектра и частотомера можно путем применения балансных СВЧ смесителей и предусилителей УРЧ. Точность измерения частоты можно повысить при помощи повышения разрядности счетчика частотомера.

Необходимо также отметить, что ЦОС детекторов требует большой скорости интерфейса между компьютером и устройством сопряжения. Так, при подключении устройства к ПК через интерфейсы RS-232 или IRDA, время измерения КСВН или ослабления на одной частоте может превышать 400 мс. В последующих версиях планируется осуществлять ЦОС на стороне устройства с передачей в ПК лишь результатов измерений. Эффективным решением этой проблемы может служить также создание аналогичного комплекса на базе платы расширения PCI.

IV.   Заключение

Описанный в данной статье комплекс был использован для получения диаграмм рассеяния в миллиметровом диапазоне волн, а также для неразрушающего контроля компонент тензора диэлектрической проницаемости и потерь кристаллов [3,4]. Малые габариты (20x20x7 см) и малое энергопотребление устройства сопряжения (менее 1 Вт при отключенном термостате) позволяют использовать его в мобильных измерительных комплексах. Устройство легко модернизируется под практически любой ГУН с аналоговым управлением частотой и амплитудой выходного сигнала в диапазоне 1,5-40 ГГц, имеет три варианта соединения с ПК и позволяет обмениваться информацией с дополнительным измерительным оборудованием через интерфейс КОП.

V.  Список литературы

1.     http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5968-4314EN.pdf

2.     Казарновский В. С. и др. Автоматизированная система для измерения КСВН и ослабления в диапазоне частот 2… 118,1 ГГц на базе шины VXI. В кн.: Тезисы докладов 12-й Международной Крымской Конф. «СВЧ техника и телекомм. технологии», Севастополь, 2002 г., стр. 511 -514.

3.     Звягинцев А. О., Стрижаченко А. В., Чижов В. В. Измерение тензора диэлектрической проницаемости, главных направлений и оптических осей в одноосных и двухосных кристаллов. В кн.: Тезисы докладов 12-й Международной Крымской Конф. «СВЧ техника и телекомм. технологии», Севастополь, 2002 г., стр. 544545.

4.     Звягинцев А. О., Стрижаченко А. В., Чижов В. В. Резонансные явления в ортогональных волноводных разветвлениях с анизотропным заполнением. Вестник Харьковского национального университета, 1999,

№ 427, с.126-130.

MULTIFUNCTIONAL MICROWAVE MEASUREMENT SYSTEM

Zvyagintsev A. O., Ivanov A. I., Pogarsky S. A., Strizhachenko A. V., Chizhov V. V.

II.  N. Karazin Kharkiv National University

4,                Sq. Svobody, Kharkiv 61077, Ukraine e-mail: aiexei.i.ivanov@univer.kharkov. ua

Abstract Presented in this paper are the results of the multifunctional microwave measurement system development. The principle of operation is stated, and the ways of improvement are outlined.

I.  Introduction

It is well known that the abundance of the measurement instrumentations can sufficiently complicate the measurement process. That is why the first-rate manufactures of the measurement instrumentations, such as Agilent Technologies, Rohde&Shwarz etc., exhibit a tendency to produce multifunctional devices that provide a great flexibility and uniform human interface for all kinds of the measurements. But these devices are still very expensive and sometimes don’t meet customers’ requirements. This work presents the results of design of multifunctional system for microwave measurements. The system was designed to operate with a wide range of voltage controlled oscillators (VCO) in 1.5 … 40 GHz frequency range, and provides the following functionality:

•       VSWR and attenuation measuring.

•       Frequency and spectrum measurement of microwave sources.

•       A wide range of measurements that require mechanical transferences (directional patterns measurement, measurements by means of test prods etc.).

•       IEEE-488 port for additional measuring equipment connection.

II.  System architecture and operation

The system consists of the following units:

•       CPU core, which provides communication between the device and the workstation through the RS-232, IRDA or USB interfaces.

•       ADC with low-frequency pre-amplifier, which provides detector signals conversion for the subsequent digital signal processing (DSP).

•       DAC which generates analog control voltages.

•       Movement control circuits, which include 3 bidirectional motor drivers, 3 revolution number counters, and 8 inputs of limit switches.

•       Plugged-in units for frequency measurements and spectrum estimation.

Frequency grid of the spectrum analyzer and of the external VCO is generated using double phase locking. The first loop controls RF oscillator. The second one locks IF signal or second oscillator depending on the operating mode. This schematic decision allows to lock the external VCO’s frequency and to improve the selectivity of the spectrum estimation.

The software part of the system consists of a Microsoft Windows application, a repository of the dynamically linked libraries (DLLs), and Mathlab functions. This allows to control the measurement process from the application, from any program which can call DLL routines, or any Mathlab program.

III.  Conclusion

The system described above was successfully tested in various measuring schemes and in the scheme of nondestructive check of permittivity tensor [3,4]. It can be easily improved to operate with 40 100 GHz VCOs.

Аннотация Описаны принципы функционирования экспериментальной установки для измерения малых и сверхмалых диэлектрических потерь (tg5~10′a) при низких температурах (4.2-0.6 К). Установка включает в себя рефрижератор непрерывной циркуляции 3Не, построенный по схеме "прямого доступа" и электродинамический модуль с исследуемым образцом, выполненным в виде диэлектрического дискового резонатора. Величина потерь определяется по времени отклика резонатора на высокочастотный (75ISO ГГц) возбуждающий импульс.

I.  Введение

Задача исследования сверхмалых диэлектрических потерь в диапазоне сверхвысоких частот вызывает интерес специалистов областей термоядерного синтеза и вакуумной электроники больших мощностей, где ощущается необходимость в радиопрозрачных материалах для вакуумных окон источников КВЧ излучения. Синтез таких материалов предполагает одновременное их изучение в области частот предполагаемого использования, в частности, исследование механизмов, обуславливающих фундаментальное поглощение [1]. Эксперименты должны проводиться при температурах ниже 1 К с целью уменьшения влияния фононного шума на полученные данные. В нашей работе представлены функциональные особенности устройства для измерения КВЧ-потерь в таких материалах как лейкосапфир, допированные алмаз, кремний и др. при температурах вплоть до 0.6 К.

II.Экспериментальные исследования

Измеряемым параметром эксперимента является величина затухания КВЧ импульса в резонаторе, заполненном исследуемым веществом. В частности, в данном случае исследуемое вещество выполнено в виде оптически полированного тонкого диска, который и является таким высокодобротным резонатором. Дисковый диэлектрический резонатор (ДДР) размещается в электродинамическом модуле, который вводится в криогенный модуль специальной конструкции для понижения температуры образца.

Криогенный модуль (рефрижератор испарения 3Не), представляющий собой модифицированную ступень криокомплекса "БУРАН” [2], разработан для решения данной задачи. Рефрижератор построен по схеме "top-loading refrigerator" [3], позволяющей производить смену образца в ходе эксперимента без повышения температуры рабочей камеры выше 0.6-0.9 К.

Рефрижератор (рис.1) обеспечивает в рабочей камере минимальную температуру Т=0.6 К при циркуляции 3Не со скоростью пз= 10′3моль/с. Диаметр рабочей камеры d=30 мм, высота h=50 мм.

Рефрижератор помещен в стандартный гелиевый криостат 3 и включает в себя основные узлы: рабочую камеру 7, и "одноградусную" ванну 10, расположенные в вакуумной рубашке 9.

Гелий-4, проходя из внешнего криостата через капилляр и дросселирующий клапан 2, попадает в "одноградусную" ванну, понижая ее температуру до 1-1.2 К.

Рис. 1. Блок-схема рефрижератора для измерения сверхмалых КВЧ потерь

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты