Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Векторный анализатор цепей типа R&S® ZVA
Векторный анализатор цепей типа R&S® ZVA (в дальнейшем – анализатор) является в настоящее время самым современным измерительным прибором диапазона СВЧ на кафедре А и РПУ. В нём очень удачно совмещены современные измерительные узлы и встроенный компьютер, со специализированной ОС WINDOWS XP EMBEDDED.
Анализатор может работать как автономно, так и в режиме дистанционного управления либо по сети, либо по специализированным приборным интерфейсам. Для анализатора выпущены драйвера, позволяющие подключать его через сетевой интерфейс к системе лабвью. В настоящее время на кафедре разрабатывается программное обеспечение в системе лабвью для использования анализатора при проведении антенных измерений, в том числе и для исследования приёмных цифровых антенных решёток, а также для измерения радиолокационных характеристик.
Оборотной стороной многофункциональности анализатора является большой объём информации, содержащейся в техническом описании (около 800 страниц машинописного текста). По этой причине мы будем рассматривать только некоторые возможности анализатора применительно к измерениям параметров антенн. Внешний вид 4-х канального анализатора показан на рис. 1.
Рис. 1. 4-х канальный векторный анализатор цепей типа R&S® ZVA.
Рабочий частотный диапазон анализаторов, имеющихся на кафедре, составляет 0,01 – 40,0 ГГц (три прибора, два 4-х канальных и один 2-х канальный) и один 2-х канальный анализатор с диапазоном 0,01 – 20,0 ГГц. Внешний вид 2–х канального анализатора показан на рис. 2.
Рис. 2. 2-х канальный векторный анализатор цепей типа R&S® ZVA.
Для изучения основных принципов работы анализатора рассмотрим блок-схему двухпортовой (двухканальной) модели R&S® ZVA, показанную на рис. 3.
Рис. 3. Блок-схема двухпортовой модели R&S® ZVA.
Основу двухпортового R&S® ZVA составляют генератор СВЧ, который может подключаться к любому порту, схемы смещения, которые позволяют ввести напряжение смещения последовательно с СВЧ сигналом. Кроме того, в каждом канале установлено по сдвоенному направленному ответвителя для выделения сигнала падающей (генерируемой) мощности и отражённого сигнала. Сигнал падающей мощности с направленного ответвителя падающей мощности подаётся в эталонный приёмник. Отражённый сигнал с направленного ответвителя отражённого сигнала подаётся в измерительный приёмник.
Всё это оборудование позволяет производить те же измерения, что мы рассматривали в панорамных измерителях КСВ и ослабления. Однако имеется небольшое, но существенное отличие анализатора R&S® ZVA от отечественных панорамных измерителей – слово «векторный» в названии анализатора подчёркивает, что прибор выдаёт результаты измерений в комплексной цифровой форме в разных форматах.
Надо отметить, что на кафедре имеется отечественный аналог такого измерителя – это панорамный измеритель комплексных характеристик, год выпуска – 1989. И этот измеритель смог появиться только потому, что появилась соответствующая вычислительная техника, которая позволяла проводить измерения и калибровку в широкой полосе частот. Управлял измерителем секционированный микропроцессор, собранный из 4х четырёхразрядных микропроцессоров на логике ТТЛШ. Естественно старый прибор не имел такого количества функций, но основные функции, с некоторым расширением он реализовывал.
Конечно, за 20 с лишним лет произошли большие изменения, особенно в вычислительной технике, поэтому у анализатора R&S® ZVA гораздо больше функциональных возможностей.
ИЗМЕРЕНИЕ КСВ
Измерение КСВ в широкой полосе частот традиционно является одним из главных измеряемых параметров. Подробного описания принципов измерения КСВ в техническом описании нет, но очевидно, что используются те, же принципы, что и в старом отечественном панорамном измерителе комплексных характеристик типа Р4-36.
Измерение КСВ фактически заменяется измерением коэффициента отражения Г в комплексной форме. Если известен коэффициент отражения Г, то КСВ определяется из простого соотношения
.
Для определения коэффициента отражения Г используются сигналы с выходов эталонного приёмника и измерительного приёмников.
.
Все параметры измеряются в комплексной форме. Для этого используется супергетеродинный приём, при котором сохраняются все фазовые соотношения принимаемых сигналов. Сигналы на промежуточной частоте с выхода приёмников (или непосредственно в приёмниках) оцифровываются с получением квадратурных составляющих, то есть с получением действительной и мнимой частей измеряемого сигнала (в нашем случае – коэффициента отражения).
Следует иметь ввиду, что, несмотря на имеющиеся проблемы с оцифровкой высокочастотных сигналов необходимо грамотного использовать динамический диапазон аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Сигнал, подаваемый на АЦП, может изменяться в больших пределах. При этом одновременно будет изменяться и разрядность оцифровки – сигнал большого уровня будет оцифровываться с большим количеством двоичных разрядов. Сигнал малого уровня будет оцифровываться с малым количеством двоичных разрядов. Для поддержания высокой точности необходимо иметь возможность, калибровано изменять уровень сигнала, подаваемого на АЦП, то есть иметь возможность ступенчатого калиброванного изменения уровня сигнала. В дальнейшем это ступенчатое изменение уровня сигнала добавляется к результатам АЦП. В состав анализатора входят калиброванные ступенчатые аттенюаторы/усилители, но их можно дополнить с помощью специальных дополнительных опций, как показано на рис. 4. В старых приборах дискретность изменения сигнала в калиброванных ступенчатых аттенюаторах/усилителях составляла 10 дБ, но в анализаторе наверняка используются более мелкая дискретность.
Рис. 4. Блок-схема двухпортовой модели R&S® ZVA с дополнительными аттенюаторами.
Процесс получения результатов измерений в комплексной форме обычно состоит из нескольких этапов. На первом этапе происходит измерение уровня падающей мощности. Для этого сигнал с эталонного приёмника (на который подаётся ответвлённый сигнал падающей мощности) делится на две части, причём одна из частей доводится до ограничения. Этот ограниченный сигнал является опорным сигналом, относительно которого производятся измерения. Дело в том, что измерение комплексных параметров фактически означает необходимость измерения либо модуля и фазы измеряемой величины либо получение так называемых квадратурных составляющих, то есть действительной и мнимой частей измеряемой величины.
В любом случае для подобных измерений необходим опорный сигнал, то есть сигнал, относительно которого измеряется фаза или сдвиг фаз. Без опорного сигнала фазовые измерения не имеют смысла.
Для измерения КСВ (фактически коэффициента отражения) необходимо измерять как падающий сигнал, так и отражённый. Естественно операция вычисления КСВ из полученного коэффициента отражения производится во встроенном компьютере.
Измерение уровня падающей мощности производят с ответвлённым сигналом с выхода эталонного приёмника. Этот сигнал подаётся на синхронный детектор. Синхронный детектор представляет собой смеситель (перемножитель) на который подаётся измеряемый сигнал и опорный сигнал, причём частоты этих сигналов одинаковы. Выходной сигнал синхронного детектора пропорционален входному сигналу, умноженному на косинус сдвига фаз между измеряемым и опорным сигналами. В нашем случае между сигналом падающей мощности и опорным сигналом сдвига фаз нет, так как опорный сигнал формировался из сигнала падающей мощности. После синхронного детектора результат измерений подаётся для оцифровки на АЦП.
Отражённый от исследуемой нагрузки сигнал попадает в измерительный усилитель. Этот сигнал также проходит через калиброванные ступенчатые аттенюаторы/усилители и подаётся на свой синхронный детектор. Опорным сигналом этого синхронного детектора является тот же сигнал падающей мощности. На выходе синхронного детектора получаем сигнал пропорциональный уровню отражённого сигнала, умноженному на косинус сдвига фаз между опорным и отражённым сигналами, то есть реальную часть отражённого сигнала.
Для получения мнимой составляющей коэффициента отражения используется второй синхронный детектор, в котором в качестве опорного сигнала используется тот же самый доведённый до ограничения сигнал падающей мощности, но сдвинутый по фазе на 900. Сдвиг по фазе технически можно реализовать разными способами (например, с помощью линии задержки) но, скорее всего он реализуется средствами цифровой техники. В простейшем случае для этого необходимо иметь удвоенную частоту опорного сигнала.
После измерения квадратурных составляющих происходит их оцифровка, результаты попадают во встроенный компьютер, который и вычисляет КСВ.
Как известно, для измерения КСВ необходимо производить калибровку прибора, причём для измерений КСВ коаксиальных трактов в комплексной форме необходима как минимум трёхступенчатая калибровка – калибровка по холостому ходу (ХХ), калибровка по согласованной нагрузке и калибровка по короткому замыканию (КЗ).
Если коаксиальный тракт нагружен на ХХ, то коэффициент отражения от ХХ равен 1. Однако отражённый сигнал снимается с широкополосного коаксиального направленного ответвителя, который имеет свою собственную частотную характеристику (ЧХ). При настройке направленного ответвителя стараются получить как можно более равномерную ЧХ, но она практически никогда не будет идеальной. Поэтому во время калибровки по ХХ компьютер запоминает комплексный отражённый сигнал в большом количестве точек выбранного диапазона. После калибровки по ХХ отражённый сигнал (в комплексной форме) делится на результаты калибровки. При этом характеристика на экране измерителя (коэффициент отражения равный единице) выравнивается. Таким образом, удаётся учесть неравномерность ЧХ направленного ответвителя.
Затем проводят калибровку по согласованной нагрузке. Коэффициент отражения от согласованной нагрузки в идеальном случае равен нулю. В реальном случае, даже при наличии идеальной согласованной нагрузки коэффициент отражения будет отличаться от нуля за счёт неидеальных свойств направленного ответвителя. Поэтому вполне резонно предположить, что результаты калибровки по согласованной нагрузке представляют собой ЧХ погрешностей направленного ответвителя. Эти результаты также запоминаются в компьютере и в дальнейшем просто вычитаются из результатов измерений.
Последняя ступень калибровки – калибровка по короткому замыканию (КЗ). На первый взгляд необходимости в этой калибровке уже нет так как коэффициент отражения при КЗ равен (-1) и отличается от коэффициента отражения при ХХ, который равен единице, только фазой - . Но в действительности вид ЧХ направленного ответвителя зависит от фазы отражённого сигнала. Для получения полной информации о ЧХ направленного ответвителя от фазы отражённого сигнала в принципе необходимо провести большой объём измерений ЧХ с разными фазами отражённого сигнала.
Однако используют линейную аппроксимацию ошибок измерений от фазы отраженного сигнала. В прибор уже введены корректирующие коэффициенты при калибровке по ХХ (фаза отражённого сигнала равна нулю). При калибровке по КЗ получают корректирующие коэффициенты при фазе отражённого сигнала равной 1800. По полученным точкам (00 и 1800) проводится прямая линия, из которой получают корректирующие коэффициенты для промежуточных значений фазы отражённого сигнала.
ИЗМЕРЕНИЕ КОМПЛЕКСНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ПЕРЕДАЧИ
Измерение комплексного коэффициента передачи необходимо для получения АЧХ и ФЧХ различных устройств, в том числе фильтров, отрезков трактов передачи, усилителей и т.д.
В нашем случае измерение комплексного коэффициента передачи используется для измерения ДН антенн, что позволяет измерять не только амплитудные ДН, но и фазовые ДН.
В простейшем случае, применительно к двухпортовому анализатору, к порту, подключённому к внутреннему генератору СВЧ, подключается передающая антенна. Соответственно приёмная антенна подключается ко второму порту анализатора, то есть к измерительному приёмнику (через направленный ответвитель).
Одной из функций анализатора является измерение потерь (в комплексной форме) на прохождение сигнала в исследуемом устройстве. Именно эту функцию и используют обычно при измерении диаграмм направленности (ДН) антенн. В этом случае один из портов анализатора используется в качестве источника СВЧ сигнала для измерений, а другой порт – в качестве приёмника. К этим портам подключаются исследуемая антенна и измерительная антенна. Исследуемая антенна устанавливается на опорно-поворотном поворотном устройстве и при вращении исследуемой антенны потери на прохождение сигнала будут изменяться в соответствие с её ДН (рис. 5). По такой схеме построен автоматизированный измерительно-вычислительный комплекс (АИВК) в безэховой камере (аудитория Г – 124, Г – 123).
Перед началом измерений в персональный компьютер АИВК вводятся исходные данные – начало и конец измеряемого сектора углов и угловая дискретность измерения, начальная и конечная частота измерений и шаг по частоте (или вводится таблица частот). Затем выбирается режим измерения диаграмм направленности (ДН) – непрерывное вращение или дискретное вращение с остановками на измеряемых точках. Далее программа запускается.
Рис. 5. Структурная схема для измерения характеристик антенн
В принципе по такой же схеме предполагается строить автоматизированный измерительный стенд и в лаборатории Г – 112. Конечно возможности этого стенда меньше, чем АИВК (вращение исследуемой антенны только в азимутальной плоскости), но принцип работы подобный.
Измерение диаграмм направленности излучателей приёмных цифровых антенных решёток (ЦАР) производится несколько по-другому. Конечно, можно поочерёдно подключать приёмник к каждому излучателю и производить эти измерения последовательно, стабильность работы измерительной аппаратуры это позволяет. Но при этом появляется проблема перевода формата результатов измерений (амплитудная и фазовая ДН) в результаты в виде таблиц комплексных чисел. И время измерения увеличивается пропорционально количеству излучателей.
На кафедре нет оборудования для реализации передающих ЦАР, но имеется возможность исследования приёмных ЦАР с количеством излучателей до 7 – 8..
На первый взгляд это немного, но такие параметры позволяют исследовать плоские приёмные ЦАР с прямоугольной апертурой и количеством излучателей от 7х7 до 8х8, так как в антеннах с прямоугольным раскрывом ДН в ортогональных плоскостях независимы.
Для оцифровки принимаемых сигналов в виде квадратурных составляющих используется 4-х канальный векторный анализатор цепей типа R&S® ZVA 40 (рис. 1).
Слово «векторный» в названии анализатора подчёркивает, что прибор выдаёт результаты измерений в комплексной цифровой форме в разных форматах.
Для измерения ДН приёмной ЦАР схему измерений необходимо изменить. Во первых в этом случае исследуемая антенна всегда будет приёмной. Кроме того исследуемая антенна представляет собой набор независимых приёмных излучателей, которые объединяет только общая конструкция. Этот набор независимых излучателей превратится в ЦАР только в том случае если все сигналы будут приниматься параллельно и обрабатываться надлежащим образом в компьютере.
На первый взгляд можно сделать заключение, что анализатор может в принципе параллельно принимать только три сигнала – так как имеется 4 независимых порта, но один из них используется для передачи. Однако более подробное изучение схемы подключения портов (рис. 6) показывает, что в анализаторе имеется 8 независимых приёмников (по два приёмника на каждый порт – измерительный приёмник и эталонный приёмник).
На первый взгляд, согласно рис. 6 независимый доступ ко всем приёмникам анализатора невозможен. Но входы всех приёмников выведены на переднюю, панель и подключаются к схеме анализатора с помощью съёмных перемычек (рис. 4). После отключения коаксиальных перемычек все приёмники доступны для подключения внешних устройств. Следует отметить, что при отключении перемычек входы всех приёмников непосредственно можно подключать к внешним устройствам (без направленных ответвителей) поэтому чувствительность увеличивается примерно на 20 дБ. Кроме того, чувствительность измерительных и эталонных приёмников тоже разная – у эталонных приёмников чувствительность выше.
Для параллельного измерения направленных свойств приёмных ЦАР строго говоря можно использовать только 7 приёмников, так как один эталонный приёмник необходим для получения опорного сигнала. Но если необходимы только амплитудные ДН и разностные фазовые ДН (то есть диаграммы разности фаз), то можно использовать все 8 приёмников. Дело в том, что при отсутствии опорного сигнала анализатор начинает использовать в качестве опорного сигнал гетеродина (напомним, что все приёмники анализатора супергетеродинные и, наверное, используется несколько преобразований частоты, так как минимальная полоса пропускания составляет 1Гц).
В этом случае фазовые ДН получаются сильно осциллирующие, но разностные фазовые диаграммы легко привести к нормальному виду и они полностью совпадают с измеренными стандартным образом.
Рис. 6. Схема подключения портов анализатора.
Структурная схема АИВК для измерения направленных свойств приёмных ЦАР изменяется, так как в неё добавляется второй ПК и 4х портовый анализатор (рис. 7). Дело в том, что программное обеспечение для параллельного измерения излучателей ЦАР разрабатывал бывший выпускник и аспирант нашей кафедры Горемыкин Е. В.
Рис. 7. Структурная схема измерения приёмных ЦАР на АИВК.
В настоящее время он работает доцентом кафедры механотроники. Воспользоваться услугами разработчиков АИВК не получилось. Горемыкин Е. В. нашёл в Интернете драйвера анализатора для системы LabVIEW и разработал программу параллельного считывания и записи информации со всех приёмников. Но эта программа не может управлять опорно-поворотным устройством (ОПУ). Поэтому приходится при измерениях добавлять 4х портовый анализатор и второй персональный компьютер. Процесс измерений происходит следующим образом – сначала в АИВК устанавливаются рабочий сектор углов, угловая дискретность и рабочий частотный диапазон. Потом те же параметры устанавливаются в ПК 2 и запускаются измерения на LabVIEW. Затем запускаются измерения на АИВК, а программа на LabVIEW ожидает прихода запускающих импульсов от контроллера ОПУ и по их приходу начинает считывать информацию и записывать её в ОЗУ анализатора и ПК 2.
Предполагаемая структурная схема измерительного стенда для лаборатории Г – 112 показана на рис. 8.
Рис. 8. Структурная схема измерительного стенда лаборатории Г - 112.
В этом стенде всем управляет один ПК. Количество параллельно измеряемых антенн указывается при подготовке измерений поэтому можно измерять не только ЦАР но одиночные антенны.
PAGE \* MERGEFORMAT 1
Измеряемая
антенна
ПУ
Измерительная
антенна
Устройство позиционирования
измерительной антенны
Анализатор сигналов
Контроллер
ОПУ
ПК