РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 8, с. 873-880
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ
УДК 621.37.037
АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ИСТИННОГО СДВИГА ФАЗ СМЕСИТЕЛЕЙ СВЕРХВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ
© 2015 г. К. С. Коротков, Д. Р. Фролов, А. С. Левченко
Кубанский государственный университет Российская Федерация, 350040 Краснодар, ул. Ставропольская, 149 E-mail: frolov.drf@gmail.com Поступила в редакцию 17.01.2014 г.
Рассмотрен один из важных параметров СВЧ-смесителей — истинный сдвиг фаз, вносимый СВЧ-смесителем в сигнал промежуточной частоты, который необходимо измерять с предельной точностью. Впервые проанализированы основные используемые в настоящее время методы определения истинного сдвига фаз СВЧ-устройств с преобразованием частоты, с целью выявления погрешностей, вносимых ими при измерениях, и причин, с которыми они связаны. Даны рекомендации по совершенствованию данных методов.
DOI: 10.7868/S0033849415080100
ВВЕДЕНИЕ
Радиосигналы СВЧ-диапазона с фазовой модуляцией и детектированием широко применяются для навигации и наведения летательных аппаратов, т.е. при создании фазированных антенных решеток и в системах радиолокации использующих эффект Доплера. В радиосистемах СВЧ, использующих фазовые методы управления и передачи информации, в подавляющем большинстве случаев применяют гетеродинное преобразование частоты. Главным элементом устройств для преобразования частоты является их нелинейный элемент — СВЧ-смеситель, который вносит амплитудно-фазовые искажения в преобразуемые с его помощью радиосигналы, несущие информацию. Такие искажения невозможно оценить и устранить без знания фазовых сдвигов, вносимых СВЧ-смесителем в преобразуемый по частоте входной СВЧ-радиосигнал. Однако этот сигнал и выходной сигнал промежуточной частоты СВЧ-смесителя лежат в разных диапазонах частот, а следовательно, никакими традиционными способами (например, осциллографическим) измерить их фазовый сдвиг невозможно. В то же время в крайне ограниченном списке зарубежных и отечественных литературных источников отмечалась малая изученность этой проблемы [1—3].
Теоретически фазовый сдвиг, вносимый одноди-одным СВЧ-смесителем, может быть рассмотрен на основе известной эквивалентной схемы полупроводникового смесительного диода в диапазоне СВЧ [2]. Схема представляет собой параллельное соединение барьерной емкости Сь данного диода и активного сопротивления р-п-перехода т&. Сопротивление растекания Я,, и индуктивность объема
полупроводника — величины постоянные, не зависящие от протекающего через полупроводниковый диод тока. На этом основании комплексное сопротивление р-п-перехода Zn полупроводникового смесительного диода описывается формулой
7 = _ / rgwC"
n 2 , ^П , 1 J 2 , V> , 1' rg + w Ch +1 rg + w C +1
(1)
+ 1 Г& + ш сь 1 1
где ю = 2пf — частота радиосигнала, протекающего через р-п-переход.
Из формулы (1) можно получить аналитическое выражение для фазового сдвига ф0, вносимого смесительным диодом в следующем виде:
tg(90>
-r„®Ch
= -2nfrgCb.
(2)
Продифференцировав выражение (2), получим зависимость фазового сдвига от частоты
-2nfrgCb
дфэ __
df 1 + 4л2/ YgCl'
(3)
Из выражений (2) и (3) видно, что фазовый сдвиг, вносимый полупроводниковым смесительным диодом, в основном определяется его барьерной емкостью Сь, которую, как показано в работе [3], чрезвычайно сложно рассчитать теоретически из-за одновременных существенных погрешностей таких расчетов, достигающих 200%.
Все это приводит к выводу, что гораздо легче и с несравнимо большей точностью фазовые сдвиги, вносимые СВЧ-смесителем, нужно опреде-
g
(а) ИР/
(б)
Рис. 1. Структурная схема метода измерения разности (а) и суммы (б) при определении параметров смесителей; 1 — генератор СВЧ, 2, 5, 9 — делители мощности, 3 — гетеродин, 4 — испытуемый смеситель, 6 — вспомогательный смеситель, 7 — векторный вольтметр, 8 — генератор промежуточной частоты.
лять непосредственно инструментальными методами, которые в настоящее время и стали основными при определении параметров смесителей.
Кроме того, знание фазового сдвига СВЧ-сме-сителя позволяет находить его комплексный коэффициент передачи (модуль и фазу), что приводит к возможности характеризовать такой СВЧ-сме-ситель системой ^-параметров и представлять его в виде СВЧ-четырехполюсника, содержащего преобразование частоты.
1. ОСНОВНЫЕ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ
Метод суммы и разности: хронологически первый инструментальный метод, позволяющий определять фазовый сдвиг СВЧ-смесителя, был предложен в СССР [4]. Структурные схемы этого метода приведены на рис. 1. Суть метода заключается в том, что с помощью одной схемы (рис. 1а) измеряют разность сдвигов фаз испытуемого и вспомогательного смесителей Дф = ф1 - ф2, а затем с помощью другой схемы (рис. 1б) измеряют сумму сдвигов фаз испытуемого и вспомогательного смесителей Еф = ф1 + ф2.
Исходя из измеренных значений разности Дф и суммы £ф сдвигов фаз испытуемого и вспомога-
Рис. 2. Структурная схема метода трех смесителей; 1, 7 — первый и второй порты, 2 — испытуемый смеситель, 3 — векторный анализатор цепей, 4 — делитель, 5 — гетеродин, 6 — первый вспомогательный смеситель, 8 — второй вспомогательный смеситель.
тельного СВЧ смесителей и решая систему уравнений (4)
Дф = ф! - ф2, Хф = ф1 + ф2,
(4)
определяют истинные сдвиги фаз любого из двух СВЧ-смесителей:
+ Дф
Ф1 =
ф ^Ф-ДФ Ф2 _ -.
2
(5)
Основным достоинством рассмотренного метода является неизменность уровней сигналов СВЧ-гетеродина как при параллельном, так и при последовательном соединении смесителей, что позволяет испытывать СВЧ-смесители в их реальном рабочем режиме. Основной недостаток — использование большого количества переключателей в СВЧ-трактах в ходе процесса измерения.
Метод трех смесителей [5]: стал развитием метода двух смесителей (рис. 2). Метод основан на применении двухпортового векторного анализатора цепей, между первым и вторым портами которого включают последовательно соединенные испытуемый и вспомогательный СВЧ-сме-сители.
С помощью схемы, представленной на рис. 2, измеряют сумму сдвигов фаз испытуемого и первого вспомогательного смесителей Хф1 = фи + + фвспомъ испытуемого и второго вспомогательного смесителей Хф2 = фи + фвспом2> первого и второго вспомогательного смесителей Хф3 = фвспом1 +
+ Фвспом2.
Решая полученную систему уравнений
Еф1 = фи + фвспомЪ < 1ф2 = фи + фвспом2'
Ефз = ф
вспом1 ^гвспом2
(6)
относительно фи, находят истинный фазовый сдвиг испытуемого смесителя:
Ф2
_ Еф1 + Хф2 - Хф3 = 2
(7)
ф и
^Ф - 2Флз - Фн 2
(8)
3 V RF
Л/
ьо
4 5
ТБ
Достоинством рассмотренного метода является использование стандартных и легкодоступных инструментов: для проведения измерений требуется только векторный анализатор цепей и гетеродин (а при использовании четырехпортового анализатора цепей необходимость в отдельном гетеродине и вовсе отпадает). При этом недостатком метода яв -ляется большое количество переключений в СВЧ-трактах в ходе измерений и необходимость в использовании второго вспомогательного смесителя.
Метод отражений (метод малых потерь): третий по времени появления метод [6] измерения фазового сдвига СВЧ-смесителя также основан на применении анализатора цепей (рис. 3). Векторный анализатор цепей используют в режиме измерения коэффициентов отражения, а испытуемый СВЧ-сигнал подают с его измерительного порта с частотой /1 на вход ЯБ испытуемого СВЧ-смесителя, гетеродинный вход ЬО которого находится под воздействием сигнала с частотой / от СВЧ-гетеродина. Полученный на выходе испытуемого СВЧ-смесителя сигнал промежуточной частоты ТБ /3 = / ± /2 через калиброванную линию задержки (ЛЗ), с известной величиной фазового сдвига флз, подают на рассогласованную нагрузку, фазовый сдвиг которой фн также известен. Сигнал промежуточной частоты /3, отразившись от рассогласованной нагрузки, через ЛЗ поступает обратно на разъем ТБ промежуточной частоты испытуемого смесителя, где он уже в обратную сторону с помощью сигнала на входе ЬО преобразуется в сигнал с частотой /1, который с разъема ЯБ смесителя попадает на измерительный порт векторного анализатора цепей. Таким образом, суммарный сдвиг фаз Хф измеряемый векторным анализатором цепей, определяется выражением Хф = 2фи + + 2флз + фн, из которого и определяется истинный сдвиг фаз фи испытуемого СВЧ-смесителя:
Рис. 3. Структурная схема метода отражений; 1 — анализатор цепей, 2 — гетеродин, 3 — испытуемый смеситель, 4 — линия задержки, 5 — рассогласованная нагрузка.
ко в нем не контролируются уровни мощности сигналов, отраженные от рассогласованной нагрузки, что приводит к большой амплитудно-фазовой погрешности за счет разных уровней амплитуд сигналов падающих и отраженных от рассогласованной нагрузки.
2. ОБОБЩЕННЫЙ АНАЛИЗ
Анализ погрешностей измерений методом суммы и разности может быть проведен при помощи направленных графов соединений СВЧ-элементов. Направленные графы, описывающие соединение структурных схем на рис. 1 в системе ^-параметров, представлены на рис. 4 и 5 [7]. Из графов видно, что основными источниками погрешностей являются паразитные связи между испытуемым и вспомогательным СВЧ-смесите-лями по каналам сигнала гетеродина, которому соответствует пути Б912 • S59 • S75 и S57 • S95 • Б129, из-за прохождения по ним сигналов промежуточной частоты /3. Для устранения этого необходима достаточно хорошая развязка, которая определяется путями ^59 и S95. Коэффициент передачи от СВЧ-генератора, вырабатывающего испытательный СВЧ-сигнал с частотой /1 до входного порта (а13 — Ь13) векторного вольтметра описывается выражением
Б113 —
1
-£з! ехр(/фз!) х
1 + N1
X Б43 ехр(/фз4)£74 ехр(/ф47)^и х (9)
х ехр(/'фт)Яб7 ехрС?'ф76)^1з6 ехр(/Ф613),
где
Достоинство рассмотренного метода состоит в том, что позволяет определять истинный сдвиг фаз СВЧ-смесителя, не применяя опорный смеситель и не используя переключатели СВЧ. Одна-
N1 = ЗД71 х х ехр(/(фп + фп)) + Бзз^З'з ехр(/(фзз + Фзз)) +
+ Б44^44 ехр(/'(ф44 + ф44)) + Б77^1 X X ехр(/'(ф77 + фт1)) + Б66^3 ехр(/'(ф66 + Ф13)).
1
2
Рис. 4. Граф измерения разности параметров смесит
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.