Звягінцев А. О., Іванов А. І., Погарський С. А., Стрижаченко А. В., Чижов В. В. Харківський національний університет ім. В. Н. Каразіна пл. Свободи, 4, Харків 61077, Україна e-mail: alexei.i.ivanov @ univer.kharkov. иа

Анотація наведені результати розробки багатофункціонального комплексу для складних вимірювань на СВЧ. Викладено принцип роботи та вказано шляхи удосконалення представленого пристрою.

I. Вступ

Розробка і налагодження сучасних НВЧ пристроїв неможлива без комплексу приладів, що забезпечують вимірювання частоти гармонійних та імпульсних джерел СВЧ, оцінку вихідного спектра передавальних пристроїв, вимір КСХН та ослаблення пасивних вузлів, отримання діаграм спрямованості антен, розподілів поля і т.д. Однак велика кількість вимірювальної техніки призводить до значного ускладнення процесу вимірювань. Тому серед провідних виробників вимірювальної НВЧ техніки спостерігається тенденція до створення універсальних програмно-апаратних комплексів, що забезпечують єдиний інтерфейс користувача для всіх видів вимірювань, а також виняткову гнучкість, аж до написання власного сценарію ходу вимірювань та їх обробки на мові MATLAB [1]. Однак, такі комплекси досить дорогі і часто не задовольняють тим чи іншим вимогам до процесу вимірювань. Авторами виготовлений комплекс, призначений для управління з комп’ютера ГКЧ з аналоговим керуванням частотою і вихідною потужністю, механічними переміщеннями (наприклад, зондів або гоніометрів), а також вимірювання частоти і спектру джерел НВЧ і підключення додаткової вимірювальної апаратури через інтерфейс КОП (IEEE-488).

II. Архітектура і функціонування комплексу

Комплекс складається з програмного забезпечення, встановленого на комп’ютері (ПК) і пристрої сполучення з периферією. Він був розроблений у відповідності з наступними принципами:

• максимальна гнучкість, що дозволяє, при необхідності, легко міняти конфігурацію вимірювальної схеми;

• максимальне спрощення апаратної частини пристрою і доступність елементної бази.

Відповідно до першого принципом, пристрій сполучення має 3 варіанти зв’язку з комп’ютером: USB, RS-232, IRDA, а також 16 дискретних ліній введення-виведення, які можуть бути використані як інтерфейс КОП або неповний аналог інтерфейсу LPT, 8 аналогових входів для підключення детекторів або інших датчиків, 6 аналогових виходів для управління частотою і амплітудою ГКЧ, напругою зміщення детекторів та іншими периферійними вузлами. У пристрої застосований мікроконтролер і програмована логіка з флеш-пам’яттю, що дозволяє оперативно змінювати конфігурацію комплексу.

Згідно з другим принципом, у пристрої реалізована цифрова обробка сигналів (ЦОС) детекторів, що дозволяє відмовитися від НЧ фільтрів, детекторів і аналогових перемножителя, а також цифрова автоматичне регулювання потужності (АРМ).

Структурна схема пристрою сполучення представлена ​​на рис.1. Його основу складає мікропроцесорне ядро. Воно забезпечує обмін інформацією між вузлами пристрою і ПК, а також реалізацію алгоритмів автоматичного регулювання. Сигнали з детекторів і аналогових входів посилюються лінійними широкосмуговими підсилювачами і оцифровуються аналогово-цифровим перетворювачем (АЦП). Керуючі напруги для ГКЧ та інших пристроїв виробляються за допомогою цифроаналогового перетворювача (ЦАП).

Можна керувати з ПК трьома асинхронними або колекторними реверсивними моторами для здійснення механічних переміщень. Кількість оборотів, зроблених моторами, підраховується при допомогою оптичних датчиків або датчиків Холла. Пристрій також має входи для підключення кінцевих датчиків, спрацьовування яких визначає діапазон переміщень.

Для вимірювання і стабілізації частоти, а також оцінки спектра джерел НВЧ, у пристрої передбачені змінні гетеродинні блоки. Принцип дії цих блоків складається в перетворенні сигналу джерела СВЧ вниз по частоті. Досліджуваний сигнал з входу НВЧ (рис.1) надходить на змішувач, на другий вхід якого надходить сигнал гетеродина з сіткою частот, стабілізованої петлею ФАПЧ. З виходу змішувача сигнал ПЧ надходить на резонансний підсилювач і далі на входи детектора, частотоміра, низькочастотного змішувача і другий петлі ФАПЧ. Алгоритм вимірювання частоти полягає в перебудові гетеродина та реєстрації напруги детектора. Якщо на вході присутній СВЧ сигнал достатньої амплітуди, то на виході детектора при деяких значеннях частоти гетеродина напруга перевищить заданий поріг. По різниці частот гетеродина, на яких поріг був перевищений, знаходиться номер гармоніки N, а різниця між частотою досліджуваного сигналу і опорною частотою вимірюється за допомогою вбудованого щодо низькочастотного частотоміра. Вихідний сигнал другий (низькочастотної) петлі ФАПЧ складається з сигналом АЦП, здійснюючи підстроювання ГКЧ до заданого значенням частоти. При цьому на АЦП необхідно подавати код, відповідний найближчої до заданої частоті ГКЧ.

У режимі вимірювання спектра вхідного сигналу використовується подвійне перетворення частоти для збільшення частотного дозволу вимірювача. При цьому низькочастотний синтезатор PLL2 формує частотну сітку другого гетеродина.

Пристрій сполучення також містить два генератора псевдовипадкових послідовностей для модуляції двох ГКЧ в многогенераторних вимірювальних схемах.

Рис. 1. Структурна схема комплексу Fig. 1. Block scheme ofthe system

Частотомір, схема запуску частотоміра, синтезатори і генератори ПСП забезпечуються опорною частотою термостатірованних кварцовим генератором. При необхідності, ці входи можна підключити до зовнішнього високостабільного генератора, що задає.

Програмне забезпечення комплексу складається з програми Microsoft Windows, набору динамічних бібліотек, а також набору функцій для пакета Matlab. Додаток Windows призначено для проведення нескладних вимірювань, таких як вимірювання КСХН або ослаблення. Набір бібліотек і набір функцій призначені для використання в програмах користувача, реалізують складні алгоритми вимірювань, а також подальшу математичну обробку результатів.

III. Технічні характеристики пристрою

Пристрій було випробувано з ГКЧ-61 і ГКЧ від комплексу Р2-65 (частотний діапазон 8 12 і 24 40 ГГц відповідно). Були отримані наступні параметри:

• Динамічний діапазон при скалярному вимірі ослаблення не гірше 40 дБ.

• Динамічний діапазон вимірювання КСХН –

1,05…20.

• Похибка вимірювання ослаблення ± (0,3 +0,05 А) дБ.

• Крок сітки частот ГКЧ і аналізатора спектра 15кГц.

• Час замикання високочастотної петлі ФАПЧ

– Менше 50 мс, низькочастотної петлі менше 200 мс в режимі стабілізації частоти ГКЧ і 50 мс в режимі аналізатора спектра .

• Мінімальна потужність джерела при використанні однодіодного змішувача на гармоніках і вимірі частоти 24. .. 40 ГГц 100 РВТ.

• Точність вимірювання частоти гармонічного джерела ± 10 Гц без урахування похибки установки опорної частоти.

Таким чином, основними недоліками даного пристрою в порівнянні з аналогічними розробками (див. наприклад [2]) є великий час перебудови за частотою і великий крок частотної сітки. Ці недоліки обумовлені обраної схемою синтезу частоти, а також застосуванням інтегральних синтезаторів широкого застосування (15 біт). У наступних версіях комплексу планується застосування нових синтезаторів з дробовим коефіцієнтом ділення, підвищеною частотою роботи фазового детектора і граничної вхідний частотою 6 ГГц, що дозволить забезпечити крок сітки менше 1 Гц, а також зменшити час перебудови, підвищити чутливість і збільшити верхню робочу частоту за рахунок зменшення кратності множення частоти гетеродина.

Істотно підвищити чутливість аналізатора спектра і частотоміра можна шляхом застосування балансних СВЧ змішувачів і передпідсилювачів УРЧ. Точність вимірювання частоти можна підвищити за допомогою підвищення розрядності лічильника частотоміра.

Необхідно також зазначити, що ЦОС детекторів вимагає великої швидкості інтерфейсу між комп’ютером і пристроєм сполучення. Так, при підключенні пристрою до ПК через інтерфейси RS-232 або IRDA, час вимірювання КСХН або послаблення на одній частоті може перевищувати 400 мс. У наступних версіях планується здійснювати ЦГЗ на стороні пристрою з передачею в ПК лише результатів вимірювань. Ефективним вирішенням цієї проблеми може служити також створення аналогічного комплексу на базі плати розширення PCI.

IV. Висновок

Описаний в даній статті комплекс був використаний для одержання діаграм розсіювання в міліметровому діапазоні хвиль, а також для неруйнівного контролю компонент тензора діелектричної проникності і втрат кристалів [3,4]. Малі габарити (20x20x7 см) і мале енергоспоживання пристрою сполучення (менше 1 Вт при відключеному термостаті) дозволяють використовувати його в мобільних вимірювальних комплексах. Пристрій легко модернізується під практично будь ГУН з аналоговим керуванням частотою і амплітудою вихідного сигналу в діапазоні 1,5-40 ГГц, має три варіанти з’єднання з ПК і дозволяє обмінюватися інформацією з додатковим вимірювальним обладнанням через інтерфейс КОП.

V. Список літератури

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

2. Казарновський В. С. та ін Автоматизована система для вимірювання КСХН та ослаблення в діапазоні частот 2 … 118,1 ГГц на базі шини VXI. В кн.: Тези доповідей 12-ї Міжнародної Кримської Конф. «СВЧ техніка і телеко. технології », Севастополь, 2002 р., стор 511 -514.

3. Звягінцев А. О., Стрижаченко А. В., Чижов В. В. Вимірювання тензора діелектричної проникності, головних напрямів і оптичних осей в одноосьових і двовісних кристалів. В кн.: Тези доповідей 12-ї Міжнародної Кримської Конф. «СВЧ техніка і телеко. технології », Севастополь, 2002 р., стор 544545.

4. Звягінцев А. О., Стрижаченко А. В., Чижов В. В. Резонансні явища в ортогональних хвилеводних розгалуженнях з анізотропним заповненням. Вісник Харківського національного університету, 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.

Анотація Описано принципи функціонування експериментальної установки для вимірювання малих і надмалих діелектричних втрат (tg5 ~ 10 ‘a) При низьких температурах (4.2-0.6 К). Установка включає в себе рефрижератор безперервної циркуляції 3Не, побудований за схемою “прямого доступу” і електродинамічний модуль з досліджуваним зразком, виконаним у вигляді діелектричного дискового резонатора. Величина втрат визначається за часом відгуку резонатора на високочастотний (75ISO ГГц) збудливий імпульс.

I. Вступ

Завдання дослідження надмалих діелектричних втрат в діапазоні надвисоких частот викликає інтерес фахівців областей термоядерного синтезу та вакуумної електроніки великих потужностей, де відчувається необхідність в радіопрозорих матеріалах для вакуумних вікон джерел КВЧ випромінювання. Синтез таких матеріалів передбачає одночасне їх вивчення в області частот передбачуваного використання, в Зокрема, дослідження механізмів, які обумовлюють фундаментальне поглинання [1]. Експерименти повинні проводитися при температурах нижче 1 К з метою зменшення впливу фононного шуму на отримані дані. У нашій роботі представлені функціональні особливості пристрою для вимірювання КВЧ-втрат в таких матеріалах як лейкосапфір, допированного алмаз, кремній та ін при температурах аж до 0.6 К.

II.Експеріментальние дослідження

Вимірюваним параметром експерименту є величина загасання КВЧ імпульсу в резонаторі, заповненому досліджуваним речовиною. Зокрема, в даному випадку досліджувана речовина виконано у вигляді оптично полірованого тонкого диска, який і є таким високодобротних резонатором. Дисковий діелектричний резонатор (ДДР) розміщується в електродинамічному модулі, який вводиться в криогенний модуль спеціальної конструкції для зниження температури зразка.

Криогенний модуль (рефрижератор випаровування 3Не), що представляє собою модифіковану щабель кріокомплекса “БУРАН” [2], розроблений для вирішення даного завдання. Рефрижератор побудований за схемою “top-loading refrigerator” [3], що дозволяє проводити зміну зразка в ході експерименту без підвищення температури робочої камери вище 0.6-0.9 К.

Рефрижератор (рис.1) забезпечує в робочій камері мінімальну температуру Т = 0.6 К при циркуляції 3Не зі швидкістю пз = 10 ‘3моль / с. Діаметр робочої камери d = 30 мм, висота h = 50 мм.

Рефрижератор поміщений в стандартний гелієвий кріостат 3 і включає в себе основні вузли: робочу камеру 7, і “одноградусную” ванну 10, розташовані у вакуумній сорочці 9.

Гелій-4, проходячи через зовнішні кріостата через капіляр і дросселирующий клапан 2, потрапляє в “одноградусную” ванну, знижуючи її температуру до 1-1.2 К.

Рис. 1. Блок-схема рефрижератора для вимірювання надмалих КВЧ втрат

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.