Измеритель спектральных составляющих свч-синтезаторов частот

 

Изобретение относится к области специальной радиоизмерительной техники СВЧ и может быть использовано для измерения относительного уровня спектральных составляющих (ОУСС) широкодиапазонных СВЧ-синтезаторов частот. Технический результат заключается в повышении производительности измерения в широком диапазоне частот и амплитуд выходного сигнала СЧ. Для этого устройство содержит входную клемму, двойной балансный смеситель, линию задержки, перестраиваемый фильтр, малошумящий СВЧ-усилитель, анализатор спектра, управляемый аттенюатор, направленный ответвитель, детекторную головку, преобразователь частота-напряжение, тактовый генератор, два сравнивающих блока, два усилителя постоянного тока и делитель мощности. 1 ил.

Изобретение относится к области специальной радиоизмерительной техники СВЧ и может быть использовано для измерения относительного уровня спектральных составляющих (ОУСС) широкодиапазонных СВЧ-синтезаторов частот.

Современные СВЧ-синтезаторы частот (например, типа AM-100) имеют ОУСС частотой ω_в в пределах 80-90 дБ в полосе отстройки от несущего колебания ω_н 3-10 МГц. Используемые в настоящее время для измерения ОУСС СВЧ-анализаторы спектра С4-60 С4-27, СК4-62 [1,5] имеют недостаточный (60-70 дБ) динамический диапазон измерения ОУСС. Для увеличения динамического диапазона анализатора спектра (АС) используют метод подавления несущего колебания с помощью полосового фильтра, перестраиваемого напряжением развертки АС, однако современные перестраиваемые фильтры, например, ФФЛК2-16, имеют большую полосу пропускания (10-60 МГц) и поэтому не обеспечивают измерение ОУСС, отстоящих от несущего колебания на частотах отстройки меньше 10 МГц.

Известен измеритель побочных составляющих с большим динамическим диапазоном (рис.2.29) [2], состоящий из последовательно включенных источника колебаний (синтезатора частот), полосно-пропускающих фильтров и анализатора спектра, в котором используются несколько механически перестраиваемых фильтров для перекрытия полосы частот, что приводит к низкой производительности измерений ОУСС.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому измерителю является выбранный в качестве прототипа измеритель ОУСС (рис.2.30) [2], состоящий из входа для подключения синтезатора частоты (СЧ) к гетеродинному входу двойного балансного смесителя (ДБС) и входу линии задержки, выход которой соединен с сигнальным входом смесителя, а его выход подключен к входу АС через последовательно соединенные перестраиваемый фильтр и малошумящий усилитель.

В измерителе ОУСС с помощью ДБС обеспечивается подавление колебания несущей частоты ω_н на 20-40 дБ.

Подавление несущей частоты ω_н на К дБ позволяет путем усиления сигнала спектральной составляющей ω_в на К дБ увеличить динамический диапазон измерителя ОУСС на К дБ.

Недостатки измерителя ОУСС - низкая производительность измерения и калибровки в широкой полосе частот из-за необходимости определять и учитывать при измерении коэффициенты передачи линии задержки и смесителя, зависящие от амплитуды и частоты выходного сигнала СЧ и настройки Δt линии задержки для выполнения условий максимальной чувствительности измерителя в каждой точке частотного диапазона.

Целью изобретения является повышение производительности измерения в широком диапазоне частот и амплитуд выходного сигнала СЧ.

Указанная цель достигается тем, что в измеритель ОУСС СВЧ-синтезаторов частот, содержащий вход для подключения СЧ, двойной балансный смеситель, сигнальный вход которого подключен к выходу управляемой линии задержки, а выход смесителя через перестраиваемый фильтр и малошумящий СВЧ-усилитель соединен с входом АС, выход напряжения развертки которого подключен к входу перестройки фильтра, введены управляемый аттенюатор, направленный ответвитель, вторичный канал которого подключен к входу делителя мощности, детекторная головка, преобразователь частота - напряжение, тактовый генератор, первое и второе сравнивающие устройства, первый и второй УПТ, причем вход управляемого аттенюатора является входом измерителя, выход аттенюатора через прямой канал ответвителя подключен к гетеродинному входу ДБС, первый выход делителя мощности через детекторную головку, первый УПТ и первый вход первого сравнивающего устройства - к управляемому входу аттенюатора, второй выход делителя мощности подключен к входу линии задержки, а выход постоянной составляющей ДБС через последовательно соединенные второй УПТ, первый вход второго сравнивающего устройства, тактовый генератор, преобразователь частота-напряжение соединен с управляемым входом линии задержки, при этом вторые входы первого и второго сравнивающих устройств являются входами управления уровня стабилизации выходного сигнала СЧ и постоянной составляющей ДБС соответственно.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых признаков: управляемый аттенюатор, направленный ответвитель с делителем мощности, детекторная головка, преобразователь частота-напряжение, тактовый генератор, сравнивающие устройства, УПТ и их связи с остальными элементами измерителя. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что использование на входе АС фильтров или ДБС с линиями задержки и усилителя для расширения динамического диапазона измерения ОУСС широко известны [1, 2]. Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами заявляемого измерителя ОУСС СВЧ-синтезаторов частот проявляют новые свойства, это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На чертеже представлена блок-схема измерителя спектральных составляющих СЧ. Измеритель содержит последовательно соединенные управляемый аттенюатор 1, на вход которого поступает сигнал u _c(t) с выхода синтезатора частот, прямой канал направленного ответвителя 2, гетеродинный вход двойного балансного смесителя 3, перестраиваемый фильтр 4, СВЧ-усилитель 5, анализатор спектра 6. Фильтр 4 перестраивается пилообразным напряжением развертки АС 6. Выход вторичного канала ответвителя 2 подключен к делителю мощности 7, первый выход которого через детекторную головку 8, первый УПТ 9 соединен с первым входом первого сравнивающего устройства 10, выход которого подключен к управляемому входу аттенюатора 1, а второй вход сравнивающего устройства 10 используется для установки опорного напряжения сравнения u₁ . Устройства 1, 2, 7, 8, 9, 10 образуют систему автоматической стабилизации амплитуды сигнала u'_с(t) на гетеродинном входе смесителя 3.

Второй выход делителя мощности 7 соединен с сигнальным входом u' _c (t+Δt) смесителя 3 через управляемую линию задержки 11, управляемый вход которой подключен к выходу постоянной составляющей u _п смесителя 3 через последовательно соединенные преобразователь частота-напряжение 12, тактовый генератор 13, первый вход второго устройства сравнения 14, второй УПТ 15. Второй вход устройства сравнения 14 служит для установки опорного напряжения сравнения u₂. Элементы 11, 12, 13, 14, 15 образуют систему автоматической стабилизации постоянной составляющей смесителя 3.

Измеритель работает следующим образом.

Если рассматривать в спектре выходного сигнала синтезатора частот u _с (t) только составляющие несущего колебания с частотой ω_н и внеполосного колебания частотой ω_в как результат амплитудной модуляции, то сигнал на выходе синтезатора можно представить в виде [2]:

где u_n - амплитуда сигнала n-го номера сетки частот синтезатора;

n - номер шага сетки частот синтезатора;

m - индекс амплитудной модуляции;

f (ω_нn, ω_вn) - обозначение составляющих сигнала в квадратных скобках.

Сигнал на гетеродинном входе смесителя будет

где u_ст - амплитуда стабилизированного сигнала. Сигнал с синтезатора частот поступает на вход управляемого аттенюатора 1. На гетеродинном входе смесителя 3 устанавливается амплитуда сигнала u_ст, постоянная в пределах точности работы системы автоматической стабилизации для всей сетки частот синтезатора. Сигнал со вторичного канала ответвителя 2 через трехдецибельный делитель мощности 7 детектируется и усиливается с помощью элементов 8 и 9 и поступает на первый вход первого сравнивающего устройства 10. Если уровень сигнала с УПТ 9 превышает уровень опорного напряжения u₁, устройство 10 вырабатывает сигнал ошибки, который увеличивает ослабление аттенюатора 1. Уровень стабилизации сигнала u _ст устанавливают с помощью напряжения u ₁. Если аттенюатор 1 работает в линейном режиме и элементы 2, 7, 8, 11 частотно независимы, то ОУСС сигнала u _с (t) не изменяется, так как составляющие в формуле (1) с частотой ω_нn, ω_нn±ω_вn умножаются на один и тот же множитель u_ст.

Это обеспечивает постоянство значения потерь преобразования по гетеродинному входу ДБС 3 и приемлемый уровень комбинационных составляющих за счет обеспечения работы диодов смесителя в линейном режиме при заданном постоянном уровне входного сигнала u_ст. Напряжение на сигнальном входе смесителя u' (t+Δt) отличается от (1) только заменой аргумента t на t+Δt и u_ст на u_ст ·K₁.

Выходное напряжение u' _вых (t) смесителя 3 как результат умножения двух напряжений K₂·u'_c(t)·u' _c(t+Δt) может быть представлено:

где K₁ - коэффициент передачи вторичного канала ответвителя 2, делителя мощности 7 и линии задержки 11;

K₂ - коэффициент передачи смесителя 3;

Δt - время задержки линии 11.

Из формулы (2) следует, что сигнал на выходе смесителя состоит из суммы постоянной составляющей и составляющей с частотой ω_вn.

Максимальная чувствительность измерителя ОУСС достигается, как следует из формулы (2), при максимальном значении постоянной составляющей, то есть при cosω_нn·Δt=1 или

При этом выражение (2) упрощается, то есть

На выходе смесителя максимальное значение напряжения частоты ω_вn будет при значении

где N - целое число.

С изменением частоты ω_нn, ω_вn требуется дополнительная настройка Δt линии задержки 11 для выполнения вышеуказанного условия (3).

Система стабилизации постоянной составляющей исключает этот недостаток и работает следующим образом.

На вход линии задержки 11 поступает сигнал стабилизированной амплитуды K ₃·u'_c(t),

где K ₃ - коэффициент передачи вторичного канала ответвителя 2 и делителя мощности 7.

В зависимости от величины управляющего напряжения u_упр, поступающего с преобразователя 12, с выхода линии 11 формируется сигнал u' _c(t+Δt), задержанный на величину Δt (u_упр). Сигнал постоянной составляющей смесителя u_п (4) после усиления во втором УПТ 15 поступает на первый вход второго сравнивающего устройства 14, которое при превышении уровня постоянной составляющей заданного уровня опорного напряжения u₂ выключает тактовый генератор 13, при этом останавливается двоичный счетчик преобразователя 12, а следовательно и рост напряжения перестройки величины задержки Δt управляемой линии задержки 11. С изменением частоты ω_нn и ω_вn постоянная составляющая на выходе смесителя не изменяется, а ее величина регулируется опорным напряжением u₂. Регулировкой напряжений u ₁ и u₂ добиваются в рабочем диапазоне частот синтезатора оптимального выполнения условий (3) и (5), а следовательно, и соотношения амплитуд колебаний частот ω_н и ω_в, при котором малошумящий усилитель будет работать в линейном режиме.

Таким образом, применение вышеуказанных элементов 1,2,7÷10,12÷15 позволяет при калибровке измерителя определить поправочный коэффициент подавления несущего колебания относительно колебания частоты ω_в К дБ, который не изменяется в рабочем диапазоне частот синтезатора, и прибавлять его к результату измерений ОУСС по анализатору спектра. Это существенно повышает производительность измерения ОУСС.

Измеритель спектральных составляющих СВЧ-синтезаторов может быть выполнен из следующих известных серийно выпускаемых элементов. Двойной балансный смеситель 3 выполнен на микрополосковой плате на диодах Шоттки типа 3А 117A-6 (электрическая схема, расчет, принцип действия и топология описаны в известной литературе [3]); управляемый фильтр 4 - типа ФФЛК 2-16 (ПЯО.226.002 ТУ), СВЧ-усилитель 5 - типа М421123, анализатор спектра - СК4-62; аттенюатор 1, направленный ответвитель 2, делитель мощности 7, детекторная головка 8 описаны в литературе [5], управляемая линия задержки 11 описана в литературе [4], УПТ 9, 15 выполнены на интегральных схемах 140 УД1А, сравнивающие устройства 10, 14 - на интегральных схемах K554CA-1, тактовый генератор 13 - на K155 ЛА3, преобразователь частота-напряжение 12 состоит из счетчика импульсов К155ИЕ7, соединенного с ЦАП К572 ПА2. Варианты реализации указанных устройств описаны в литературе [6].

Экспериментальные исследования заявляемого измерителя спектральных составляющих СВЧ-синтезаторов частот типа AM-100 в рабочем диапазоне частот 1,0-3,0 ГГц показали возможность измерения ОУСС в полосе отстройки от несущего колебания на 3-10 МГц на уровне - 85 дБ, при этом производительность измерения повысилась ориентировочно в 3 раза по сравнению с базовым измерителем по точкам частотного диапазона с ручным способом настройки и калибровки измерителя.

Источники информации

1. В.А.Мартынов, Ю.И.Селихов. Панорамные приемники и анализаторы спектра. - М.: Сов.радио, 1980 г., с.79.

2. В.Манассевич. Синтезаторы частот. Теория и проектирование /Пер. с англ; под ред. А.С.Галина - М.: Связь, 1979 г., с.75 (прототип).

3. В.Е.Бустоваров, В.А.Лукьянчук, О.Н.Чесноков. Широкополосный двойной балансный смеситель СВЧ в интегральном исполнении на основе двухпроводных линий передачи.// Радиотехника, 1987 г., №1, с.27-29.

4. Экспериментальные исследования линий задержки и фазовращателя на магнитостатических волнах/ А.В.Белицкий, А.В.Мясников, М.М.Гадеев и др. // Электронная техника. Сер.Электроника СВЧ, 1984 г., вып.3/363, с.19-23.

5. А.М.Чернушенко, А.В.Майбородин. Измерения параметров электронных приборов дециметрового и сантиметрового диапазонов волн. - М.: Радио и связь, 1986 г., с.64-91.

6. В.С.Гутников. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1988 г., 304.

Формула изобретения

Измеритель спектральных составляющих СВЧ-синтезаторов частот, содержащий входную клемму, двойной балансный смеситель, сигнальный вход которого соединен с выходом линии задержки, выход двойного балансного смесителя через последовательно соединенные перестраиваемый фильтр и малошумящий СВЧ-усилитель соединен co входом анализатора спектра, выход напряжения развертки которого соединен с управляющим входом перестраиваемого фильтра, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности измерения в широком диапазоне частот и амплитуд СВЧ-синтезаторов частот, в него введен управляемый аттенюатор, направленный ответвитель, детекторная головка, преобразователь частота-напряжение, тактовый генератор, два сравнивающие блока и два усилителя постоянного тока, при этом входная клемма соединена с входом управляемого аттенюатора, выход которого через прямой канал направленного ответвителя соединен с гетеродинным входом смесителя, первый выход делителя мощности через последовательно соединенные детекторную головку, первый усилитель постоянного тока и первый сравнивающий блок соединен с управляемым входом аттенюатора, второй вход делителя мощности соединен с входом линии задержки, выход постоянной составляющей двойного балансного смесителя через последовательно соединенные второй усилитель постоянной составляющей, второй сравнивающий блок, тактовый генератор и преобразователь частота-напряжение соединен с управляемым входом линии задержки, вторые входы первого и второго сравнивающих блоков являются входами управления уровней стабилизации выходного сигнала синтезатора частот и постоянной составляющей двойного балансного смесителя.

РИСУНКИ