Аннотация - представлены результаты разработки измерительного стенда для измерения параметров КВЧ приемных и передающих модулей.
Рассматривается обобщенная структурная схема устройства и принцип его работы.
Рост количества технологий и разработок в области информатики и радиоэлектроники требует освоения новых частотных диапазонов и как следствие создания новых средств измерений и контроля в области СВЧ и КВЧ. Совокупность этих средств должна обеспечить измерение всех параметров и характеристик устройств, работающих в данных частотных диапазонах, с максимальной точностью.
Активное развитие планарной технологии создало предпосылки для последующего увеличения количества серийно выпускаемых интегральных схем сверхвысоких (ИС СВЧ) и крайне высоких частот на базе данной технологии. Круг задач, решаемых при помощи данных схем, расширяется ежегодно, совершенствуются их характеристики.
Как и в любой другой отрасли промышленности, увеличение выпуска гибридных и монолитных ИС СВЧ диапазона и использование в интегральных схемах бескорпусных активных элементов неизбежно повлекло за собой необходимость создания средств контроля и метрологического обеспечения процессов.
Особенно актуальной становится задача измерения параметров ИС СВЧ, представляющих собой в простейшем случае четырехполюсные, а в более общем – многополюсные структуры.
Исследовательские работы в этой области и требования производства ИС СВЧ как на арсениде галлия, так и на кремнии привели к необходимости измерений СВЧ и КВЧ схем непосредственно на пластине.
В данном докладе будет рассмотрена измерительная установка для контроля параметров
КВЧ модулей.
Процесс измерений включает в себя ответвление падающей на объект измерения и отраженной (или прошедшей) от него волн измерительного сигнала, формирование напряжений содержащих информацию о реальных составляющих измеряемых S параметров, усиление и логарифмическое преобразование этих напряжений, аналого-цифровое преобразование, определение измеряемых параметров с учетом значений полученных при калибровке, отражение результатов измерений в выбранной системе координат с отсчетом значений на любой частоте рабочего диапазона.
Обобщенная структурная схема измерительного стенда приведена на рисунке 1.1.
Измерительная часть стенда состоит из генератора сигналов качающейся частоты, измерительного СВЧ тракта, условно разбитого на два функциональных элемента, устройств позиционирования и контактирования, устройства преобразования частоты, состоящего из трех гармонических смесителей, синтезатора частоты, являющегося источником гетеродинного сигнала, и двухканального преобразователя амплитуды и фазового сдвига. Сигналы измерительной информации об параметрах объекта измерения, преобразованные в постоянные напряжения, пропорциональные амплитуде и фазовому сдвигу, с помощью преобразователя, выполненного на двух логарифмических усилителях, подвергаются последовательному преобразованию в цифровой код с помощью мультиплексора и аналогоцифрового преобразователя. Ввод цифровой информации в ЭВМ осуществляется с помощью интерфейса.
Совместная работа генератора сигналов качающейся частоты, источника гетеродинного сигнала – синтезатора частоты и устройства обработки измерительной информации в измерительном стенде обеспечивается посредством интерфейсов под программным управлением ЭВМ. Реализация обмена по интерфейсу осуществляется с помощью контроллера интерфейса, который выполнен в виде печатной платы и конструктивно размещается в
ЭВМ. Для обеспечения возможности автоматизации измерения всех S параметров объекта измерения с любыми геометрическими размерами, СВЧ измерительный тракт разделен на две части, каждая из которых расположена в отдельном модуле измерительного блока. За один период перестройки частоты генератора сигналов с выходов СВЧ измерительного тракта снимаются сигналы, несущие информацию о двух измеряемых
S параметрах объекта измерения. Эти сигналы после аналого-цифрового преобразования поступают в ЭВМ, которая осуществляет их дальнейшую математическую обработку и преобразование в графическую информацию.
Основой измерительного стенда, определяющей его принцип действия и функциональные возможности, является СВЧ измерительный тракт, структурная схема которого приведена на рисунке 1.2.
СВЧ измерительный тракт измерительного стенда включает в себя направленные ответвители падающей, прошедшей и отраженной волн с

подключенными к их вторичным каналам гармоническими гетеродинного смесителями, сигнала, источник подключенный к гетеродинным входам гармонических смесителей, и преобразователь амплитуды и фазы, выполненный на основе микросхемы AD8302 [1, 2].
Рисунок 1.1 – Обобщенная структурная схема измерительного стенда
Рисунок 1.2 – Обобщенная структурная схема СВЧ измерительного тракта
Каналы преобразования частоты СВЧ измерительного сигнала на низкую промежуточную частоту представляют собой источник гетеродинного сигнала, представляющего собой синтезатор частот сантиметрового диапазона длин волн, резистивный делитель мощности и отрезки коаксиальных линий передачи для подачи гетеродинного сигнала на гармонические смесители. Основой канала преобразования частоты являются гармонические смесители,

которые работают на 3-ей гармонике частоты гетеродина.
К выходам вторичных каналов направленных ответвителей подключались гармонические смесители, на гетеродинные входы которых подавался гетеродинный сигнал в диапазоне 8 -
12,5 ГГц после коаксиального резистивного делителя мощности.
Работа измерительного стенда осуществляется следующим образом. Выходной сигнал генератора сигналов качающейся частоты последовательно подается на входы первого, второго и третьего направленных ответвителей
(НО1, НО2, НО3) и полностью поглощается согласованной нагрузкой. При этом между выходом второго направленного ответвителя и входом третьего включаются волноводные зондовые головки (входная и выходная) волноводного или коаксиального типов.
Извлечение сигналов СВЧ, несущих информацию об измеряемых амплитудных и фазовых параметрах, осуществляется с помощью второго и третьего направленных ответвителей
(НО2 и НО3). При этом НО2 ориентирован на СВЧ сигналы, несущие информацию об S
11
(S
22
), а НО3 - на сигналы КВЧ, пропорциональные S
21
(S
12
) при переориетации объекта измерения.
В первом и втором гармонических смесителях осуществляется интерференция гетеродинного сигнала с немодулированными сигналами измерительного тракта. В результате на выходе первого гармонического смесителя выделяются сигналы промежуточной частоты U
11c или U
22c
, а на выходе второго – U
12c или U
21c несущие информацию о реальной и мнимой составляющих соответствующего S-параметра. При этом выходные сигналы после преобразования частоты усиливаются усилителями промежуточной частоты, конструктивно встроенными в корпус смесителей.
Усиленные выходные сигналы смесителей поступают для дальнейшей обработки на два входа преобразователя амплитуды и фазы на основе серийно выпускаемой микросхемы AD8302.
Микросхема представляет собой полностью интегрированную систему для измерения модулей коэффициентов передачи и фазовых сдвигов сигналов промежуточной частоты. Диапазон изменения амплитуды входного сигнала от минус 60 дБ до 0 дБ в 50 Ом системе, диапазон частот от НЧ до 2,7 ГГц.
Микросхема AD8302 имеет два согласованных демодулирующих логарифмических усилителя, каждый из которых имеет диапазон измерения до 60 дБ. Разность между двумя выходными сигналами представляет собой отношение амплитуд входных сигналов или коэффициент усиления (ослабления). Микросхема
AD8302 имеет фазовый детектор, представляющий собой сбалансированный умножитель, входным сигналом которого является ограниченный по амплитуде выходной сигнал логарифмических усилителей. Таким образом, точность измерения фазы в широком диапазоне не зависит от уровня входных сигналов. Зависимость выходного напряжения от фазового сдвига  x оказывается практически линейной, что обеспечивает постоянную чувствительность данной схемы при различных значениях фазовых сдвигов.
Выходные напряжения, пропорциональные фазовому сдвигу и коэффициенту усиления, одновременно снимаются с заземленной нагрузки, подсоединенной к соответствующим выводам, и имеют диапазон от 0 В до 1,8 В. Напряжение на нагрузке, стабилизированное от источника опорного напряжения, имеет регулируемый выходной диапазон.
Эти сигналы обрабатываются, преобразуются в цифровую форму и запоминаются в памяти ЭВМ. За один период перестройки частоты генератора сигналов качающейся частоты формируются и запоминаются цифровые коды, соответствующие значениям реальной и мнимой составляющих одного S-параметра во всех точках диапазона рабочих частот измерительного стенда.
Неидентичность и неравномерность амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик параметров измерительных и опорных каналов измерительного тракта определяется при калибровке измерительного стенда, а затем учитывается при обработке результатов измерений.
В результате проведенных работ был разработан измерительный стенд для контроля параметров КВЧ модулей.
Диалоговый режим работы программного обеспечения существенно упростил процесс измерений. В процессе работы пользователь последовательно настраивает необходимые для измерения параметры, проводит калибровку и сами измерения. На каждом из этапов существует возможность вызова справки для пояснения возникающих вопросов. Это освобождает оператора от необходимости часто обращаться к эксплуатационной технической документации.
Все вычислительные операции выполняются на ЭВМ, что позволило существенно сократить время обработки информации и количество операций, выполняемых оператором.
Благодаря сложным алгоритмам математической обработки и высокоточному СВЧ оборудованию стенд обладает высокими метрологическими характеристиками и может быть использован при выполнении широкого круга задач.
1. Сапельников В.М., Кравченко С.А., Чмых М.К.
Проблемы воспроизведения смещаемых во времени электрических сигналов и их метрологическое обеспечение. Уфа, 1999. – 200 с.
2. Кехтарнаваз Н., Ким Н. Цифровая обработка сигналов на системном уровне с использованием
LabVIEW. - М.: 2007.- 304 с.