Автоматическая подстройка частоты при измерении S-параметров конверторов с помощью векторных анализаторов цепей производства АО «НПФ МИКРАН»

Описан алгоритм автоматической подстройки частоты при измерении S-параметров конверторов со встроенным гетеродином. Данный алгоритм реализован в программном обеспечении верхнего уровня векторных анализаторов цепей производства АО «НПФ «Микран». Показаны особенности работы алгоритма в различных схемах измерения, в том числе с управляемым внешним генератором частоты для формирования сигнала гетеродина опорного смесителя. Использование данного алгоритма расширяет область применения ВАЦ производства АО «НПФ «Микран», в том числе в разработке и эксплуатации систем спутниковой связи.

Методики применения векторных анализаторов цепей (ВАЦ) для измерения параметров частотно-преобразующих устройств, не содержащих в своем составе встроенный генератор частоты, используемый в качестве гетеродина, хорошо известны [1,2]. При измерении параметров таких устройств для формирования сигнала гетеродина используется внешний генератор частоты или один из синтезаторов в составе ВАЦ. В обоих случаях частота сигнала гетеродина точно известна и сам гетеродин синхронизирован с ВАЦ по опорной частоте 10 МГц (или по внутренней частоте синхронизации, в случае использования синтезатора ВАЦ). В результате по известным частотам зондирующего сигнала ВАЦ и гетеродина нетрудно рассчитать частоту, на которую должны быть настроены приемники ВАЦ для измерения сигнала по выходу исследуемого устройства.

Ситуация кардинально меняется, если исследуемое частотно-преобразующее устройство имеет встроенный гетеродин, частота которого известна лишь приблизительно и, более того, может изменяться со временем в некоторых пределах [1]. Последний эффект имеет место при отсутствии синхронизации по опорной частоте между ВАЦ и встроенным гетеродином исследуемого устройства. В таком случае, до начала проведения измерений значение частоты встроенного гетеродина должно быть определено (вернее, должна быть получена его оценка) с максимально возможной точностью. Имея данную оценку, можно подстроить приемники ВАЦ и, при необходимости, частоту внешнего управляемого гетеродина таким образом, чтобы принять выходной сигнал исследуемого устройства. Точность подстройки оказывает особенно сильное влияние на измеренные значения фазы и группового времени задержки (ГВЗ) исследуемого устройства [1]. Процесс оценивания значения неизвестной частоты встроенного гетеродина и последующей подстройки частоты управляемого гетеродина и приемников ВАЦ будем называть «Автоподстройка ПЧ», имея в виду, что все действия по оцениванию и подстройке выполняются не вручную, а при помощи определенного алгоритма, реализованного в программном обеспечении (ПО) ВАЦ. В ПО Graphit, предназначенном для управления ВАЦ «Панорама» производства АО «НПФ «Микран», функция «Автоподстройка ПЧ» используется как для подстройки частоты приемников ВАЦ, так и для подстройки частоты внешнего опорного генератора частоты, применяемого в ряде схем измерения параметров частотно-преобразующих устройств. Рассмотрим далее функцию автоподстройки ПЧ, реализованную в ПО Graphit, и особенности ее применения в различных схемах измерения.

Основные этапы алгоритма автоподстройки ПЧ

Автоподстройка ПЧ реализуется в ПО ВАЦ путем выполнения следующих шагов.

1) «Грубая» подстройка. При фиксированной частоте зондирующего сигнала с выхода ВАЦ (которую будем называть частотой ВЧ) выполняется сканирование по частоте приемника в окрестности некоторой заданной начальной частоты F₀. Эта частота должна быть заранее задана пользователем, как и ширина диапазона подстройки. Предполагается, что искомый сигнал с выхода измеряемого устройства находится внутри данного диапазона. По результатам сканирования определяется частота F₁, соответствующая максимуму амплитуды сигнала, измеряемого приемником. Соответственно, величина «грубой» поправки есть ΔF_гр=F₁-F₀ (см. рис. 1).

Рис. 1. Результат измерения амплитуды измерительного приемника при «грубой» подстройке частоты в ПО Graphit. Выполнена линейная развертка по частоте приемника в окрестности частоты F0 = 2.5 ГГц. Видно, что отстройка истинного значения ПЧ от оценки 2.5 ГГц составляет примерно 100 кГц.

2) «Точная» подстройка. Выполняется за несколько итераций. На первой итерации значения частот приемника и внешнего управляемого гетеродина (при его использовании в схеме) корректируются на величину ΔF_гр. На фиксированных частотах ВЧ и приемника выполняется некоторое количество измерений, что фактически соответствует развертке по времени. На данном этапе критически важно, чтобы ВАЦ выполнял измерения строго последовательно, без задержек между ними (в так называемом режиме «CW Mode»). По результатам развертки анализируется изменение фазы принятого сигнала. Развертка фазы по времени должна представлять собой линию с постоянным наклоном, величина которого пропорциональна отстройке частоты приемника от частоты измеряемого сигнала:

где i – номер итерации алгоритма точной подстройки, t₀ и t₁ – начальный и конечный моменты времени измерения, φ(t₀) и φ(t₁) – значения фазы сигнала, измеренного приемником в данные моменты времени (см. рис. 2). Далее значения частот приемника и внешнего управляемого гетеродина (при его использовании) корректируются на величину 

и вновь производится развертка по времени. Итерации «точной» подстройки выполняются до тех пор, пока значение  не станет меньше некоторого заранее заданного порогового значения либо не будет достигнуто некоторое максимальное количество итераций. Значения упомянутых выше критериев остановки алгоритма задаются пользователем. Отметим, что оценка поправки частоты, получаемая при помощи алгоритма «точной» подстройки, является сходящейся тогда, когда искомый сигнал попадает в полосу фильтра ПЧ ВАЦ. Иными словами, до начала этапа точной подстройки разность между начальной оценкой искомой частоты и ее истинным значением не должна превышать половину ширины фильтра ПЧ ВАЦ. 

Рис. 2. – Результат измерения фазы измерительного приемника при «точной» подстройке частоты в ПО Graphit. Режим «CW Mode» на частоте 2.4999 ГГц. Отстройка ПЧ, вычисленная по формуле (1), составляет примерно 499 Гц.

Схемы измерений с автоподстройкой ПЧ, реализованные в ПО Graphit

Схемы измерений частотно-преобразующих устройств со встроенным гетеродином аналогичны схемам измерений пассивных смесителей, за исключением того, что не требуется подача сигнала гетеродина на исследуемое устройство. Калибровки в таких схемах также выполняются обычным образом, детальное их описание приведено в руководстве по эксплуатации ВАЦ «Панорама», которое можно найти на сайте АО «НПФ «Микран» [3]. В настоящей реализации ПО Graphit алгоритм автоподстройки ПЧ работает только с внешним гетеродином, работающим на постоянной частоте. Частота встроенного гетеродина конвертора полагается медленно изменяющейся в относительно узких пределах.

Перед началом калибровки необходимо задать оценку номинальной частоты встроенного гетеродина, множители входной частоты конвертора и частоты гетеродина в соответствующих полях ввода на панели «Преобразование частоты» (см. рис. 3а). Если выбранная схема измерения требует подключения внешнего управляемого гетеродина для подачи сигнала на опорный и/или калибровочный смеситель, необходимо подключиться к внешнему гетеродину и обеспечить необходимые сигналы синхронизации между внешним гетеродином и ВАЦ. Уровень выходной мощности управляемого гетеродина должен быть достаточным для корректной работы опорного и калибровочного смесителей. Заметим, что требуемый уровень выходной мощности управляемого гетеродина определяется из документации на используемые опорный и калибровочный смесители. При необходимости можно выполнить калибровку мощности внешнего гетеродина средствами ПО Graphit.

После завершения калибровки и включения в схему исследуемого устройства необходимо включить режим «Автоподстройка ПЧ», нажав соответствующую кнопку на боковой панели на вкладке «Преобразование частоты». По нажатию кнопки откроется окно настройки данного режима (см. рис. 3б). 

a)

б)

Рис. 3. – Вид панели «Преобразование частоты» (а), окно задания параметров автоподстройки ПЧ (б).

Процесс автоподстройки ПЧ сопровождается индикацией его состояния на статусной панели главного окна программы. В течение процесса подстройки на статусной панели отображается надпись «Поиск ПЧ». После успешного завершения подстройки отображается надпись «Смещ. ПЧ» и величина найденного смещения частоты. Если автоподстройка ПЧ отключена или найденное смещение частоты меньше порогового значения 1 миллигерц, индикатор не отображается.

Измерение скалярного коэффициента преобразования конвертора

Измерение скалярного коэффициента преобразования конвертора требует включения измеряемого устройства «на проход» аналогично измерению скалярного коэффициента преобразования пассивного смесителя (см. рис. 4). После завершения калибровки необходимо активировать режим автоподстройки ПЧ, как описано выше. Функция «Преобразование частоты» ВАЦ при использовании данной схемы измерений должна быть включена. В данной схеме измерения осуществляется автоматическая подстройка частоты приемников ВАЦ. 

Рис. 4. – Схема измерения скалярного коэффициента преобразования конвертора

Измерение S-параметров конвертора с последовательным включением опорного смесителя

Схема измерения S-параметров конвертора с последовательным включением цепи «опорный смеситель + фильтр» и измеряемого устройства приведена на рисунке 5. Для правильной работы автоподстройки ПЧ необходимо использование управляемого генератора частоты, сигнал с которого подается на опорный смеситель. Генератор должен быть обязательно синхронизирован с ВАЦ по опорной частоте 10 МГц. В данной схеме измерения частота зондирующего сигнала и частота приемника равны. Поэтому алгоритм автоподстройки ПЧ фактически осуществляет подстройку частоты генератора таким образом, чтобы она оказалась равной частоте встроенного гетеродина измеряемого устройства. Преобразование частоты при использовании данной схемы измерения не должно быть включено.

Рис. 5. – Измерение S-параметров конвертора с последовательным включением опорного смесителя и измеряемого устройства

Измерение S-параметров конвертора со смесителем в опорном канале

Схема измерения параметров конвертора с включением смесителя в опорный канал ВАЦ приведена на рисунке 6. Для правильной работы автоподстройки ПЧ необходимо использование управляемого генератора частоты, сигнал с которого подается на смеситель в опорном канале ВАЦ. После выполнения калибровки в данной схеме измерения активируется режим «Векторная коррекция», преобразование частоты на боковой панели должно быть отключено. Генератор должен быть обязательно синхронизирован с ВАЦ по опорной частоте 10 МГц. В данной схеме измерения осуществляется подстройка частоты внешнего генератора так, чтобы она оказалась равной частоте внутреннего гетеродина измеряемого устройства. Также, осуществляется подстройка частоты приемников. 

Рис. 6. – Измерение параметров частотно-преобразующего устройства с включением смесителя в опорный канал ВАЦ

Отметим, что автоподстройка ПЧ может осуществляться как при измерении коэффициента преобразования конвертора на основной частоте, так и при измерениях на гармониках высших порядков.

Влияние автоподстройки ПЧ на результаты измерений

Для демонстрации возможностей реализованного алгоритма автоподстройки ПЧ были проведены измерения зависимости коэффициента преобразования смесителя от частоты в двух схемах измерения. В обеих схемах использовался смеситель в опорном канале ВАЦ, различия заключались в способе подачи сигнала гетеродина на измеряемое устройство. В первой из них внешний генератор частоты был синхронизирован с ВАЦ по опорной частоте 10 МГц и подавал сигнал гетеродина на опорный и измеряемый смесители. Во второй схеме использовалось два генератора частоты, первый из которых был синхронизирован с ВАЦ и подавал сигнал гетеродина на опорный смеситель, второй генератор не был синхронизирован с ВАЦ и подавал сигнал гетеродина на измеряемый смеситель с отстройкой от первого генератора на 12.5 кГц. Таким образом, вторая схема имитировала схему измерения конвертора, приведенную на рисунке 6. Отметим, что частота второго генератора медленно изменялась во времени ввиду отсутствия общей опорной частоты с ВАЦ. В процессе измерений во второй схеме была включена функция «Автоподстройка ПЧ». 

Рис. 7. – Зависимости модуля коэффициента преобразования смесителя C21 и ГВЗ смесителя от частоты. Штриховые линии – гетеродин синхронизирован с ВАЦ, сплошные линии – гетеродин не синхронизирован с ВАЦ и отстроен на 12.5 кГц. Шаг сетки для трассы ГВЗ – 100 пикосекунд на деление. Величина модуля C21 показана в децибелах.

Как показало сравнение измеренных зависимостей коэффициента преобразования смесителя от частоты в двух схемах, применение разработанного алгоритма автоподстройки ПЧ позволило получить практически идентичные результаты в двух схемах измерения (см. рис. 7). Без автоподстройки ПЧ измерение во второй схеме оказывается невозможным, поскольку сигнал с выхода смесителя не попадает в полосу фильтра ПЧ ВАЦ. Точность подстройки частоты составляла ±1 Гц, что связано с частотным разрешением синтезаторов ВАЦ. Как показано в [1], ошибка подстройки частоты существенным образом влияет на неравномерность измеряемой трассы ГВЗ. В связи с этим, для повышения равномерности трассы ГВЗ необходимо применение дополнительных мер. Так, при измерении ГВЗ использовалась частотная апертура (шаг между частотными точками сканирования) 50 МГц, что позволило существенно уменьшить неравномерность трассы. Кроме того, применялось усреднение трассы ГВЗ, что существенно повысило стабильность трассы в процессе сканирования. Сходные рекомендации по измерению ГВЗ конверторов приведены в [1]. Реализованный алгоритм является достаточно эффективным с точки зрения временных затрат – типовое время подстройки частоты с точностью до 1 Гц составляет 1-2 секунды. Как было отмечено выше, описанная реализация алгоритма автоподстройки ПЧ не предназначена для работы со сканирующим сигналом гетеродина, что является ограничением данного метода.

Заключение

Реализованный в ПО Graphit алгоритм автоподстройки ПЧ позволяет эффективно подстраивать частоты приемников ВАЦ и внешнего управляемого генератора частоты, используемого для формирования сигнала гетеродина опорного смесителя. Точность подстройки частоты составляет ±1 Гц, что связано с частотным разрешением синтезаторов ВАЦ. В дальнейшем, по мере совершенствования аппаратной базы ВАЦ точность подстройки может быть еще улучшена, что должно положительно сказаться на равномерности измеряемой зависимости ГВЗ конвертора от частоты. В целом, реализованный алгоритм позволил решить поставленную задачу измерения S-параметров конверторов со встроенным неуправляемым гетеродином. Решение данной задачи открывает перспективы применения ВАЦ «Панорама» производства АО «НПФ «Микран» в широком спектре прикладных областей, в частности, при разработке и производстве систем спутниковой связи.

Литература

1. Дансмор Дж.П. Настольная книга инженера. Измерения параметров СВЧ-устройств с использованием передовых методик векторного анализа цепей. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2019. – 736 с. 

2. Анализаторы цепей векторные. Руководство по эксплуатации. Часть 2. Программное обеспечение. – ООО Планар, 2023. – 2214 с.

3. Официальный сайт АО «НПФ «Микран» [Электронный ресурс]. URL: https://www.micran.ru/