4. Y. Carmel e.a. Relativistic plasma microwave electronics: Studies of high-power plasma-filled backward wave oscillators // Ph. Vs. Fluids B. 1992. V. 4. P. 2286—2292.
5. Ткач Ю. В. и др. Электромагнитные волны в плазме, находящейся в магнитном поле // Укр. Физ. Журн. 1978. T. 23. C. 1902.
6. Файнберг Я. Б. и др. Некоторые физико-технические аспекты построения плазменных ЛБВ // Докл. АН УССР, Физ.-мат. и тех. науки. 1990. № 11. С. 55.
7. Завьялов М. А. и др. Плазменные процессы в технологических электронных пушках // IV Симпозиум по сильноточной электронике: Тез. докл. 1992. С. 132.
8. M. A. Zavjalov e. a. Powerfull wideband amplifier base on hybrid plasma — caviny slow-wave structure / IEEE Trans. Plasma Sci. 1994. V. 22. № 5. P. 600.
Дата принятия 09.04.2014 г.
621.37.037
Новый метод измерений комплексных параметров сверхвысокочастотных смесителей
К. С. КОРОТКОВ, Д. Р. ФРОЛОВ
Кубанский государственный университет, Краснодар, Россия, e-mail: korsar@phys.kubsu.ru
Разработан метод измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения частотно-преобразующих устройств, основанный на применении векторного анализатора цепей. Проведен подробный теоретический анализ метода.
Кпючевые слова: сверхвысокочастотный смеситель, модуль, фаза, комплексные коэффициенты передачи и отражения.
A method of measurement of amplitude and phase frequency response of RF mixers has been developed. Method is based on vector network analyzer application. A complete theoretical analysis of the new method has been carried out.
Key words: RF mixer, magnitude, phase, S-parameters.
В последнее время широкое распространение получили способы и реализующие их приборы для измерений комплексных (модуля и фазы) коэффициентов передачи сверхвысокочастотных (СВЧ) устройств с гетеродинным преобразованием частоты. Особенность таких измерений состоит в том, что входной сигнал СВЧ-смесителя и выходной сигнал промежуточной частоты лежат в разных диапазонах; это не позволяет измерять традиционными способами сдвиг фаз, возникающий в таком смесителе. В то же время из-за нелинейности вольтамперной характеристики смесительного элемента (полупроводникового диода) в нем возникают нелинейные сдвиги фаз, существенно искажающие преобразованный сигнал промежуточной частоты (ПЧ). Широкое применение для измерений и вычислений фазовых сдвигов СВЧ-смесителей получили способы, основанные на измерении суммы и разности сдвигов фаз двух смесителей и суммы сдвигов фаз трех смесителей, один из которых испытуемый, с последующим вычислением истинного сдвига фаз этого смесителя [1, 2]. Однако в обоих способах для реализации рабочих режимов измерений требуется делать до восьми переключений в диапазоне сверхвысоких частот. При этом каждое такое переключение вносит погрешность в измерения от 6 до 12°, что приводит к существенным ошибкам.
Описание метода и его анализ. Поиски путей повышения точности измерений комплексных коэффициентов передачи СВЧ-смесителей привели к разработке нового способа, основанного на использовании анализатора СВЧ-це-пей [3]. Структурная схема устройства, реализующего этот способ, приведена на рис. 1. Она состоит из анализатора
СВЧ-цепей I и двухканального супергетеродинного приемника II. В состав анализатора I входят: генератор испытательных СВЧ-сигналов ГИС с частотой f; первый переключатель ПП1 и связанная с ним согласованная нагрузка СН; гетеродин Г1 с частотой сигналов f2; две пары Н02, НО3 и Н01, Н04 встречновключенных направленных ответвителей (НО), образующих два рефлектометра, связанных своими вторичными каналами 3 с входами 1, 2, 3, 4 векторного вольтметра 66; два выходных порта П1, П2. Вольтметр работает на низкой промежуточной частоте, образуемой в нем путем преобразования частоты с помощью гетеродина Г1, который присоединен к его пятому входу.
Принцип работы анализатора СВЧ-цепей известен и заключается в попарном сравнении в векторном вольтметре амплитуд и фаз сигналов, поступающих с выходов 3 вторичных каналов НО [4]. Такое построение анализатора позволяет измерять коэффициенты передачи и отражения любого испытуемого СВЧ-четырехполюсника ИЧП, включаемого между его входными портами П1, П2 в двух направлениях с помощью коммутации переключателем ПП1 направления подачи испытательного сигнала от генератора ГИС. Указанное устройство анализатора цепей дает возможность измерять полный комплект S-параметров ИЧП.
Двухканальный супергетеродинный приемник II обеспечивает измерение суммы и разности сдвигов фаз испытуемого ИС и опорного ОС СВЧ-смесителей. Очередность измерений может быть любой. При измерении суммы сдвигов фаз испытательный СВЧ-сигнал с частотой f1 от генератора ГИС через переключатель ПП1 в первом положении его
Рис. 1. Схема нового метода для измерения параметров смесителей: I — векторный анализатор СВЧ-цепей; II — двухканальный супергетеродинный приемник; ГИС — генератор испытательных сигналов; ПП1—ПП4 — переключатели; СН — согласованная нагрузка; Г1 — гетеродин анализатора цепей; Г2 — СВЧ-гетеродин; HOI—Н04 — направленные ответвители; ВВ — векторный вольтметр; Кк — контакт; П1, П2 — измерительные порты; ИЧП — испытуемый четырехполюсник; ИС, ОС — испытуемый и опорный смесители; СПЧ1-СПЧ3 — смесители промежуточной частоты; БОЧ — блок опорных частот;
ПК — компьютер; Кр — компаратор
подвижного контакта, первичные каналы Н02, НОЗ и входной порт П1 подают на вход 1 испытуемого смесителя ИС. Одновременно на вход 2 этого смесителя поступают сигналы с частотой f2 от СВЧ-гетеродина Г2. Образовавшийся в ИС сигнал первой промежуточной частоты = (f - f2) с выхода 3 через переключатели ПП2, ППЗ (во втором положении) подают на выходной разъем 3 опорного СВЧ-смесителя ОС. Здесь его преобразуют с помощью сигнала с частотой f2 от СВЧ-гетеродина Г2 в сигнал с f1 = /пч1+ f2 = (f1 - f2 + f2), который поступает через входной порт П2 в первичные каналы 1—2 HOI, Н04. Далее сигнал идет на входы 2, 4 векторного вольтметра, на входы 1 и 3 которого через вторичные каналы 3 Н02, Н03 поступает часть испытательного СВЧ-сигнала с частотой f1. Векторный вольтметр измеряет отношения амплитуд и разности фаз сигналов на входах 1, 4. Так как смесители ИС, 0С включены последовательно, их фазовые сдвиги Фос и фИс складываются, образуя сумму £ф = фИс + Фос, которую фиксируют между портами П1, П2 анализатора I. Аналогично перемножают коэффициенты передачи КИс испытуемого и Кос опорного СВЧ-смесителей, получая общий коэффициент передачи ZK = КИсКос- Результаты измерений ZK и £ф с выхода векторного вольтметра через контакт Кк подают в первый вход компьютера ПК, где их фиксируют.
Значение первой переменной промежуточной частоты fm1 можно выбрать любым в пределах рабочего диапазона частот, устанавливаемого условиями эксплуатации, и в процессе измерений fm1 поддерживается постоянной с помощью системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). На
первый вход фазового детектора ФД этой системы сигнал поступает из третьего выхода смесителя СПЧ1, где он образовался как разность сигналов от СВЧ-гетеродина Г2 с частотой f2, пришедшего на его второй вход, и сигнала с частотой
поданного на первый вход от генератора ГИС. Опорный сигнал фазового детектора с частотой ^пч1 поступает из выхода 1 блока опорных частот БОЧ, в котором одновременно вырабатывается сигнал второй ПЧ /пч2, сдвинутой относительно сигнала ^пч1 на величину третьей ПЧ, когерентной с сигналами первой и второй и равной /Лч3 = ^пч1 - ^пч2, которую стабилизирует кварцевый резонатор. Сигнал ошибки с выхода фазового детектора подают на вход генератора Г2, в результате его частота 12 изменяется вслед за изменениями ^ так, что разность между 11 и 12 с точностью до фазы равняется выбранной ^пч1.
Разность сдвигов фаз и отношение коэффициентов передачи испытуемого и опорного смесителей определяют в первом положении подвижных контактов переключателей ПП2, ПП3. Измерения проводят сравнением амплитуды и фазы испытательного сигнала с выхода 3 смесителя СПЧ3. Этот сигнал образуется благодаря двойному преобразованию частоты испытательного СВЧ-сигнала сначала от испытуемого, а затем опорного смесителя. Он сравнивается с опорным сигналом ^пч3 в компараторе Кр, с последующим вычислением отношений коэффициентов передачи и разности фазовых сдвигов ИС и ОС в компьютере ПК.
Опорный сигнал ^пч3 получают из испытательного СВЧ-сиг-нала, путем преобразования его частоты сначала в ^пч1 в сме-
15 10 15
N
Рис. 2. Результаты пятнадцати одинаковых N измерений истинного сдвига фаз ф для смесительного диода типа 3А123 новым методом 1 и методом трех смесителей 2
сителе СПЧ1, а затем в /пч3, в смесителе СПЧ2 с помощью сигнала с частотой (^пч1 + / 3), поступающего со второго выхода блока опорных частот. Сигнал, образованный по формуле /пч3 = /пч1 - (/пч1 + /пч3), подают на второй вход компаратора.
Испытательный сигнал /пч1 с третьего выхода смесителя ИС, через переключатели ПП2, ПП4 в первом положении, поступает в первый вход смесителя СПЧ3, где с помощью сигнала со второго выхода блока опорных частот его преобразуют в сигнал третьей ПЧ по формуле /пч3 = /пч1 - (/пч1 + /пч3). Этот сигнал подают в компаратор и сравнивают по амплитуде и фазе с опорным сигналом /пч3, поступающим из смесителя СПЧ2. Результаты сравнения поступают в компьютер.
Аналогично сравнивают сигнал с третьего выхода опорного смесителя с частотой /пч1, преобразованного в смесителе СПЧ2 при втором положении переключателя ПП4 в сигнал с частотой /пч3, подаваемый в первый вход компаратора. Результаты сравнений сигналов с частотой /пч3 из ОС и ИС поочередно подают в компьютер, где их обрабатывают следующим образом.
На входе портов П1 и П2 после калибровки напряжения иП1 = иП2 (перед измерением компаратор калибруют по амплитуде и фазе, уравнивая уровни напряжений на его входах и электрические длины измерительного и опорного каналов). От порта П1 компаратору приходит сигнал
иП1(КИСКСПЧ3) и сдвиг фаз ФИС + ФСПЧ3, где KСПЧ3, ФСПЧ3 — коэффициент передачи и сдвиг фаз смесителя СПЧ3. Аналогично от порта П2 к компаратору приходит сигнал иП2(^оС^СПЧ3) и сдвиг фаз Фос + Фспч
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.