CC BY
66
Доклады БГУИР
2014 № 6 (84)
УДК 621.396
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВЕКТОРНОГО АНАЛИЗАТОРА ЦЕПЕЙ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН
ДА. КОНДРАШОВ, А.В. ГУСИНСКИЙ, А.М КОСТРИКИН
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь
Поступила в редакцию 17 апреля 2014
Представлена схема построения векторного анализатора цепей (анализируются параметры S2\ и Sn) гомодинного типа с формированием квадратурных сигналов на основе использования аппаратного многопозиционного фазовращателя СВЧ-сигналов в диапазоне частот 75-110 ГГЦ, приводится математическая модель обработки квадратурных сигналов и ее реализация в программной модели.
Ключевые слова: векторный анализатор цепей, фазовращатель, квадратурный сигнал.
Введение
Значительное место в радиоэлектронике занимают вопросы создания и применения радиоэлектронных СВЧ-систем и средств миллиметрового диапазона волн. Исследование характеристик и параметров СВЧ-устройств при их создании и проверка соответствия таких устройств спецификационным требованиям при производственном выпуске, а также многие другие задачи и исследования требуют соответствующих средств инструментального анализа СВЧ-устройств и их соединений [1, 2].
Современные методы анализа и расчета СВЧ-устройств и их соединений базируются на «цепном» их представлении, когда СВЧ-устройство представляется эквивалентным многополюсником, описываемым определенной системой параметров. При исследовании таких устройств и соединений важно знать, насколько согласованы устройства, каковы в них потери и т.п. К числу наиболее эффективных измерительных средств, предназначенных для анализа параметров СВЧ-устройств (СВЧ-цепей), относятся векторные анализаторы СВЧ-цепей (ВАЦ). ВАЦ представляют собой современные высокопроизводительные информационно -измерительные системы, позволяющие провести необходимые измерения параметров устройств с гарантированной точностью в широких частотных диапазонах с соответствующей обработкой, представлением и хранением измеренной информации о параметрах и характеристиках испытуемых устройств [3].
Рассматриваемый в данной статье ВАЦ выполнен по гомодинному принципу построения и предназначен для автоматизированного измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения (5ц и волноводных устройств с цифровым отсчетом измеряемых величин и воспроизведением их частотных характеристик в декартовой и полярной системе координат на экране встроенного в ВАЦ компьютера. Объектами измерения могут быть устройства оконечного типа - двухполюсники и проходного типа - четырехполюсники. В гомодинном ВАЦ используется модуляция опорного и измерительного сигналов фазовой манипуляцией по алгоритму 0-л.
Схемы с одновременной модуляцией как опорного, так и измерительного сигнала позволяют объединить достоинства, свойственные методам модуляции только измерительного и только опорного сигналов. Такое решение позволяет получить относительно простыми средствами результирующий сигнал, характерный для гетеродинных ВАЦ. Данный метод
универсален относительно используемых видов модуляции при условии, что модуляция раздельная, а частоты модулирующих напряжений разные.
Схема построения панорамного измерителя
Принцип действия ВАЦ основан на раздельном выделении падающей на объект измерения, отраженной и прошедшей волн СВЧ-сигнала. Напряжения, пропорциональные амплитудам падающей, отраженной и прошедшей волн после усиления и вычисления по специальным алгоритмам преобразуются в значения измеряемых параметров: модуль и фазу argSu коэффициента отражения, КСВН, модуль 1 и фазу argS2\ коэффициента передачи. Измеряемая информация отображается в виде частотных зависимостей в декартовой системе координат с отсчетом при помощи маркера значений измеряемых параметров в любой частотной точке диапазона рабочих частот ВАЦ. Структурная схема ВАЦ представлена на рис. 1. ВАЦ состоит из генератора качающейся частоты (ГКЧ), измерительного СВЧ-тракта, блока обработки сигналов измерительной информации (БОС), ЭВМ, ЖКИ и блока питания.
Работа ВАЦ осуществляется следующим образом. Сигнал с выхода ГКЧ поступает на вход измерительного СВЧ тракта, к которому подключается объект измерений. СВЧ-сигнал, несущий информацию об измеряемых S-параметрах, с выхода объекта измерений поступает на БОС, который осуществляет ее преобразование, и подачу на ЭВМ в форме сигналов, удобных для представления информации об измеренных параметрах на ЖКИ.
1-1 чмери 1'ёльный тракп СНЧ
Объект измерения
Рис. 1. Структурная схема ВАЦ
Математическая модель
ВАЦ с модуляцией опорного и измерительного сигналов позволяет измерять как модуль так и фазовую характеристику параметров испытуемого устройства. Поэтому возникает необходимость снятия квадратурных сигналов, несущих информацию о косинусной и синусной составляющей сигнала.
Обычно в измерительной схеме информация об измеряемом параметре содержится в сигнале, который выражается в виде [4, 5]: и1 = к1 • |$х| • ссв(фх + ф0), где ^ и фх - модуль и фаза
измеряемой характеристики, к и фо - некие параметры схемы.
Для извлечения фазы фх нужно иметь синусную составляющую: и2 = к2 • • яп(фх + ф0), где кг - параметр схемы.
Тогда фаза может быть найдена как взятая с соответствующим знаком величина:
+ ( и 2 • к 1 ^
Фх = arCtg| -—- I- ф0 .
V и 1 • к 2)
Используемый в рассматриваемом ВАЦ способ формирования квадратурных сигналов основан на введении в опорный канал анализатора цепей электрически управляемого
бинарного фазовращателя, осуществляющего фазовую коммутацию опорного сигнала по алгоритму 0-п/2. Структурная схема волноводного СВЧ-тракта приведена на рис. 2.
Рис. 2. Структурная схема СВЧ тракта, используемого для получения квадратурных сигналов в ВАЦ 75-110 ГГц
Математическую модель обработки сигнала в ВАЦ можно разделить на два этапа: калибровку и измерение. При калибровке прибора снимаются массивы данных и\с,, и2с, соответствующие разным положениям фазовращателя, и производятся следующие вычисления над ними:
2 '
2 .
Ко =■ К, = -
(\)
(2)
При измерениях производятся следующие вычисления над калибровочными массивами и постоянно снимаемыми массивами
сохраненными
и\ т и и2т.
Нс =
Ко ■и 1 + К ■ и 2 т
Н5 =
К ■ и 2 т К 5 ■ и 1т
2 ■(Ко ■ Ко + К ■ К,У 5 2 ■(Ко ■ Ко + К ■ К 5) параметра исследуемого устройства. Н,
\н\=4Н
' Н 2 :
где \Н\ - модуль
Ф = arctg | —5 |, где ф - фаза параметра «2\ исследуемого устройства.
,Н о
Характеристики параметра «\\ вычисляются аналогично, за исключением формул (1) и (2), они заменяются формулами (3) и (4):
2 '
Ц2о 2
Ко = —
К5 = - Ц
(3)
(4)
Программное обеспечение
Программное обеспечение в одной из своих подпрограмм реализует приведенную математическую модель. При выборе пользователем режима калибровки и нажатия кнопки «Выполнить калибровку» начинается съем данных с АЦП для параметра «2\:
\. Фазовращатель переключается в положение 1 (фазового сдвига нет), данные об амплитудно-частотной характеристике сохраняются в двухмерный массив «амплитуда, частота» £/\с из 256 точек.
2. Фазовращатель переключается в положение 2 (фазовый сдвиг на первую, вторую и третью ячейки фазовращателя), данные сохраняются в двухмерный массив «амплитуда, частота» и2с из 256 точек.
3. Два массива сохраняются в конфигурационный файл, что позволяет немедленно начинать измерения при следующем включении прибора.
4. Все шаги с фазовращателем повторяются для параметра 5ц.
При выборе пользователем режима измерений происходит непрерывный съем данных с АЦП и расчет отображаемых характеристик.
1. Фазовращатель переключается в положение 1 (фазового сдвига нет), данные об амплитудно-частотной характеристике сохраняются в двухмерный массив «амплитуда, частота» и 1т из 256 точек.
2. Фазовращатель переключается в положение 2 (фазовый сдвиг на первую, вторую и третью ячейки фазовращателя), данные сохраняются в двухмерный массив «амплитуда, частота» и2т из 256 точек.
3. Происходит перерасчет отображаемых характеристик модуля и фазы измеряемого 5-параметра согласно формулам математической модели.
4. К отображаемым результатам применяются спецальные алгоритмы цифровой обработки, что позволяет компенсировать нелинейные искажения сигнала в волноводном тракте во время калибровки и измерений.
Управление работой ВАЦ, выбор режимов измерения и калибровки, а также выбор формы индикации и регистрации результатов измерения осуществляется в диалоговом режиме органами управления, расположенными на передней панели ВАЦ. Программное обеспечение и алгоритмы отдельных подпрограмм разработаны таким образом, чтобы исключить неверные действия оператора. На рис. 3 представлено окно программы с результатами калибровки.
М\УМ 1аЬ 11:48:28 - Vector Network Analyzer В
1 Уровень 0,00 дБ S21, дБ Лог 10 дБ/
-10,00 -20,00 -30,00 -40,00 -50,00 -60,00 -70,00 -80,00 -90,00 -100,00 130,0 144,0 103,0 72,0 36,0 0,0 ^36,0 -72,0 -108,0 -144,0 -130,0 Центр 9£
Выполнить
Сохр. кал-ну
78,3 32,307 86,284 90,261 94,233 93,215 102,192 106,169 110,146 114,123 113,1 Фаза, "
Параметр S21 Sil
ЯЯ
78,3 32,307 86,284 90,261 94,233 93,215 102,192 106,169 110,146 114,123 113,1 ¡,2150 ГГц Обзор 39,7700 ГГц
Рис. 3. Главное окно программы управления ВАЦ после выполнения калибровки
Заключение
Разработана математическая модель обработки квадратурных сигналов для векторного анализатора цепей в диапазоне частот 75-110 ГГц. Предложенная модель позволяет строить более дешевые ВАЦ гомодинного типа и получать результаты близкие к величинам, полученным в гетеродинных системах. Также применение универсального программного обеспечения позволило реализовать все достоинства математической модели.
SOFTWARE OF VECTOR NETWORK ANALYZER IN MILLIMETER WAVE
RANGE
DA. KONDRASHOV, A.V. GUSINSKI, A.M. KOSTRIKIN
Abstract
A scheme for constructing Vector Network Analyzer of transmission and reflection coefficients (parameters S21 and S11) of the homodyne type with the formation quadrature signals based on the use of multi-point hardware shifter microwave signals in the frequency range 75-110 GHz is presented, provides a mathematical model for the processing of the quadrature signals and its implementation in the programming model.
Список литературы
1. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М., 1988.
2. Гольденберг Л.М, Матюшкин Б.Д., ПолякМ.П. Цифровая обработка сигналов. М., 1985.
3. Гусинский А.В., Шаров Г.А., Кострикин А.М. Векторные анализаторы цепей миллиметровых длин волн. Ч. 1. Минск, 2004.
4. Рабинер Л., Голд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М., 1978.
5. КуланчевА.П. Компьютерный контроль процессов и анализ сигналов. Т. 3. М., 1999.
