Автоматизированный измерительный комплекс для исследования частотных характеристик СВЧ-фильтров в широком диапазоне частот

и отражения сигналов через устройство. Центральная частота рабочей полосы пропускания определяется рабочими частотами системы радиоэлектроники. Другие характеристики фильтра имеют свои зоны влияния на характеристики системы:

• –    ширина первой полосы пропускания фильтра определяет ширину рабочей полосы системы или подсистемы радиоэлектроники;

• –    уровень вносимых потерь в полосе пропускания определяет коэффициент ослабления сигнала, прошедшего через устройство, а также коэффициент шума;

• –    коэффициент стоячей волны (КСВ) определяет амплитуду сигнала, отраженного от входа фильтра;

• –    селективность вблизи полосы пропускания определяет помехозащищенность системы;

• –    неравномерность группового времени запаздывания (ГВЗ) определяет степень совместимости сигналов с фазированной антенной решетки;

• –    ширина и глубина полосы заграждения определяют устойчивость системы к паразитным сигналам.

Качество фильтра, как известно, в первую очередь определяется его частотно-селективными свойствами. Эти свойства характеризуются коэффициентами крутизны склонов АЧХ, уровнями ослабления сигнала в полосах заграждения, максимальными потерями и максимальной неравномерностью в полосе пропускания. Также важнейшими характеристиками фильтров являются уровень обратных потерь, неравномерность времени групповой задержки сигнала в полосе пропускания и др. При решении современных задач радиотехники нередко наряду с жесткими условиями, предъявляемыми к АЧХ фильтра, требуется обеспечить высокую степень его миниатюрности. Сочетание этих качеств исключительно сложная проблема.

Постановка задачи

Необходимо отметить, что новейшие конструкции микрополосковых фильтров, отличающихся высокой степенью миниатюрности резонаторов на различных структурах полосковых проводников, весьма перспективны для создания многозвенных полосно-пропускающих фильтров с высокими частотно-селективными свойствами, в первую очередь, с достаточно широкой высокочастотной полосой заграждения с высоким уровнем подавления мощности СВЧ в ней. При создании таких фильтров требуется четко и точно контролировать их параметры. И одним измерительным прибором здесь не обойтись.

Для всестороннего исследования характеристик СВЧ-фильтров на рынке нет готового решения. Поэтому существует необходимость в создании комплексного решения для проведении экспериментальных исследований СВЧ-фильтров.

Структурная схема автоматизированного рабочего места

С целью исследования частотно-селективных свойств было разработано автоматизированное рабочее место (АРМ) с набором необходимой контрольно-измерительной техники. Структурная схема автоматизированного рабочего места для исследования образцов СВЧ-фильтров и проверки их частотных характеристик представлена на рис. 1.

АРМ обеспечивает измерение:

• –    амплитудно-частотной характеристики фильтра;

Рис. 1. Структурная схема автоматизированного рабочего места

Fig. 1. Structural diagram of the automated workplace

• –    фазочастотной характеристики (ФЧХ);

• –    разности группового времени запаздывания;

• –    уровня затухания сигнала в полосах заграждения в пределах реализуемого динамического диапазона.

АРМ имеет следующие технические характеристики:

• –    диапазон рабочих частот от 10 МГц до 24 ГГц;

• –    динамический диапазон, не хуже –120 дБ;

• –    выходная мощность не менее –10 дБм;

• –    минимальный уровень шумов, не хуже –114 дБм.

Состав и конфигурация автоматизированного рабочего места выбраны исходя из следующих доводов.

В современных измерительных приборах применяются различные методы измерения частотных характеристик СВЧ-фильтров. В настоящее время для таких исследований применяются в основном векторные анализаторы цепей (ВАЦ). Причем в бюджетных моделях анализаторов цепей используют метод с применением генератора качающейся частоты (ГКЧ), в более дорогих – наборы гармонических сигналов или широкополосные сигналы [3].

Составляющими функциональными элементами полосно-пропускающих СВЧ-фильтров являются микроволновые резонаторы. Они электромагнитно связаны как между собой, так и с обоими портами фильтра (входом и выходом). Амплитудно-частотная характеристика фильтра в области полосы пропускания зависит только от резонансных частот и связей резонаторов. При этом максимумы прохождения мощности СВЧ, наблюдаемые на АЧХ в широкой полосе частот, в системе связанных резонаторов могут возникать только вблизи резонансных частот. Микроволновые резонаторы в отличие от колебательных контуров на сосредоточенных индуктивных и емкостных элементах имеют не одну резонансную частоту, а бесконечную последовательность резонансных частот. Поэтому полосно-пропускающие микроволновые фильтры наряду с рабочей (нижайшей) полосой пропускания всегда имеют паразитные (высшие) полосы пропускания. Говоря о повышении частотно-селективных характеристик фильтров, в первую очередь обращают внимание на увеличение ширины и глубины полосы заграждения, отделяющей рабочую полосу пропускания от паразитной полосы в высокочастотной полосе заграждения. Для исследования вышеизложенных параметров недостаточно использовать только ВАЦ, так как в основном измерения будут ограничены динамическим диапазоном приборов, особенно при измерении параметров в полосах заграждения. Поэтому необходимо использовать генератор СВЧ-сигналов с большим динамическим диапазоном, подавая сигналы на вход исследуемого фильтра в пределах полос заграждения и анализируя отклик на выходе с помощью анализатора сигналов (спектра).

Для подключения внешних приборов к разрабатываемым миниатюрным полосно-пропускающим фильтрам, выполненным без коаксиальных переходов, в составе АРМ должна быть зондовая станция. Для автоматизированного измерения параметров без физического переподключения приборов к исследуемому фильтру используется четырехпортовая зондовая станция MPI TS200.

Программное обеспечение для АРМ

Для централизованного удаленного управления всеми измерительными приборами было разработано специальное программное обеспечение (ПО). Данное ПО функционирует на платформе среды National Instruments LabVIEW [4]. В основные функции программного обеспечения входит автоматизация исследования и определения основных параметров СВЧ-фильтров:

• –    амплитудно-частотной характеристики;

• –    фазочастотной характеристики;

• –    разности группового времени запаздывания;

• –    уровня затухания сигнала в полосах заграждения.

С помощью программного обеспечения осуществляется документирование результатов измерения параметров СВЧ-фильтров с сохранением данных на жесткий диск управляющего персонального компьютера.

Разработанное программное обеспечение использует методы дистанционного управления контрольно-измерительной аппаратурой с применением средств программной архитектуры National Instruments VISA (Virtual Instrument Software Architecture) [5]. ПО применяет данные средства для унифицированного тестирования, отладки и удаленного управления аппаратурой АРМ с использованием интерфейса LAN. ПО реализует интерфейс взаимодействия с аппаратурой АРМ в формате «Запрос-ответ»: управляющий персональный компьютер отправляет команду-запрос (измерение значений АЧХ, ФЧХ, ГВЗ, перевод в режим спектрального или временного анализа и т. д.) и ожидает ответа (отчет о состоянии или результаты измерений) от контрольно-измерительной аппаратуры. Возможно организовать обновление результатов измерений с некоторой периодичностью (режим реального времени в ПО не реализован).

Блок-схема алгоритма работы ПО представлена на рис. 2. Внешний вид интерфейса ПО показан на рис. 3.

Рис. 2. Блок-схема алгоритма работы ПО

Fig. 2. The flowchart of the software operation

Рис. 3. Интерфейс ПО АРМ

Fig. 3. ARM software interface

Через интерфейс ПО имеется возможность установки начальных параметров измерительных приборов, настройки и управления ими. Измеренные характеристики фильтров графически отображаются в соответствующих окнах ПО (рис. 3).

Функциональные возможности АРМ при измерении характеристик фильтра для радиолокационной станции, изготовленного с применением полосковых резонаторов на подвешенной подложке [6], показаны на рис. 4.

Выводы

Таким образом, представленное в работе АРМ позволяет не только проводить всесторонние исследования характеристик СВЧ-фильтров, но и автоматизировать этот процесс с помощью разработанного ПО. Функция документирования результатов измерения параметров СВЧ-фильтров дает возможность и в реальном времени, и после обработки осуществить анализ и сравнение характеристик СВЧ-фильтров в диапазоне частот от 10 МГц до 24 ГГц.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в ходе реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, договор № 03.G25.31.0279.