Разработка автоматизированной системы тестирования и документирования электро-технических характеристик многопортовых СВЧ устройств

Размещено на http://www.allbest.ru/

КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана

Разработка автоматизированной системы тестирования и документирования электро-технических характеристик многопортовых СВЧ устройств

А.А. Карышев, А.В. Безрукова

Многие области современной науки и техники немыслимы без аппаратуры диапазона СВЧ. Проектирование радиоэлектронной аппаратуры СВЧ-диапазона имеет свою специфику, которая определяется главным образом её способностью получать высокие радиотехнические характеристики. Бурное развитие высокочастотной радиоэлектроники в настоящее время делает востребованным повышение быстродействия средств исследований и разработок СВЧ-устройств. Одной из актуальных тенденций развития измерительной техники для аппаратуры СВЧ-диапазона является автоматизация измерений. Разработанная система соответствует этой тенденции. Она состоит из двух модулей. Интерфейс модуля тестирования приведен на рисунке 1.

Рисунок 1. Интерфейс модуля тестирования

На рисунке 2 приведен интерфейс модуля документирования с открытой вкладкой «График множителя решетки ДОУ» и отображением графиков множителей.

Рисунок 2. Интерфейс модуля документирования с открытой вкладкой «График множителя решетки ДОУ» и отображением графиков множителей

Модуль тестирования позволяет осуществлять для коммутации каналов исследуемого устройства управление переключающим устройством в ручном или автоматическом режиме. Модуль способен взаимодействуя с векторным анализатором цепей сохранять во внешние файлы данные о измерений.

Модуль документирования позволяет загружать данные из файлов, созданных модулем тестирования. Для хранения измеренных данных в неизменном виде от одной загрузки данных до следующей создаются соответствующие объекты, к которым происходят обращения за данными для расчетов. Модуль способен рассчитывать и отображать в виде графиков следующие характеристики: коэффициенты стоячей волны по входам и по выходам, амплитудно-фазовые распределения коэффициентов передачи, коэффициенты полезного действия лучей, множители решетки излучателей, запитанной через исследуемое устройство, а также пеленгационные характеристики. Кроме того, предусмотрены некоторые средства настройки отображения полученных графиков и сохранения их во внешние файлы.

В качестве векторного анализатора электрических цепей в разработанной системе используется Agilent N5230A PNA-L Network Analyzer. Данный ВАЦ используется для измерений параметров рассеяния коаксиальных многополюсников.

Свойства СВЧ-устройств чаще всего описывают в терминах волновых матриц рассеяния. Матрица рассеяния связывает комплексные амплитуды падающих и отраженных волн напряжения на входах устройства. Для 4хполюсника эту связь записывают следующим образом:

где a₁ и a₂ - падающие, b₁ и b₂ - отраженные волны относительно 1 и 2 портов соответственно. Элементы матрицы рассеяния - так называемые S-параметры, удобны тем, что их легко измерить и через них можно выразить другие характеристики исследуемого устройства [1].

Применяемое переключающее устройство состоит из пульта управления и двух коммутаторов. Для коммутации нужных входов с выходами на каждом из переключателей необходимо послать команду в двоичном коде. Последовательность бит в посылке длиной 3 байта кодирует по одному входу для каждого переключателя. Первый переключатель имеет 16 входов и 1 выход. Второй переключатель имеет 32 входа и 1 выход. Это позволяет работать с устройствами с количеством портов до 48. Входы на переключателе объединены в восьмерки. Первый байт в команде должен содержать информацию о том, к какой из двух восьмерок на первом переключателе принадлежит коммутируемый вход первого переключателя, а также, к какой из четырех восьмерок второго переключателя принадлежит коммутируемый вход второго переключателя. Второй и третий байты содержат единицу в позиции, номер которой указывает номер коммутируемого входа в заданной восьмерке для первого и второго коммутаторов соответственно. коммутация канал радиоэлектронный

Программное управление переключателем осуществляется через микросхему FTDI. Сначала необходимо вызвать метод, открывающий FTDI-устройство по серийному номеру. Затем - методы для установки таймаутов чтения и записи на бесконечность, и для очистки буферов приема и передачи в устройстве. После этого устройство готово к приему и передаче данных через виртуальный COM-порт. При неудачном исходе перечисленные методы изменяют статус FTDI-устройства, который отслеживается приложением. Если статус FTDI-устройства не соответствует ожидаемому, всплывает окно сообщения с описанием проблемы и статусом.

Для выполнения переключения необходимо отправbnm по usb управляющую последовательность трех байт, которая записывается в буфер записи FTDI-устройства в двоичном коде. После этого происходит коммутация контактов высокочастотного коммутатора в соответствии с выставленным управляющим сигналом. Далее для контроля считываются три байта из буфера чтения FTDI-устройства. В соответствии со считанными байтами меняется цвет фона соответствующих квадратов-индикаторов в окне приложения. Если последовательность не соответствует ни одной паре вход-выход, все квадраты индикаторы гаснут.

Для взаимодействия с измерительным прибором используется интерфейс прикладного программирования. Управление измерительным прибором состоит из вызовов методов библиотеки visa32.bas и выполнении команд измерительным прибором. Прежде всего необходимо использовать метод viOpenDefaultRM. Эта функция устанавливает систему в исходное состояние с помощью менеджера ресурсов по умолчанию. Метод инициализирует resourceManager начальным значением, содержащим установочную информацию и возвращает указатель на него. Кроме того, методы библиотеки VISA возвращают код статуса. Он указывает на успешное или неудачное завершение функции, а значение кода состояния отличное от ожидаемого является признаком ошибки.

Установочная информация необходима для вызова следующего метода библиотеки VISA - viOpen. Эта функция устанавливает канал связи с указанным устройством, поэтому необходимо указать адрес этого устройства. Далее следует выставить режим доступа и величину прерываний.

Метод viOpen возвращает указатель на идентификатор сессии подключения к конкретному устройству. Он используется для идентификации ресурсов сеанса при использовании других функций VISA.

После открытия сессии для GPIB устройства по указанному адресу для сохранения данных измерений во внешнем файле используется метод viPrintf. Это осуществляется для каждого исследуемого канала в цикле и предваряется соответствующим переключением канала. В качестве параметров метод требует идентификатор сессии подключения и команду. Для сохранения данных измерений в файл используется соответствующая команда SCPI, содержащая расположение и имя файла. При автоматическом управлении переключателем расположение файлов выбирается заранее, а имена файлов содержат номера входа и выхода исследуемого устройства [2].

Для сохранения данных измерений используются SnP-файлы с текстом в кодировке ASCII. Они хранят параметры рассеяния n-портовых устройств. В данном случае измерения проводятся для отдельных каналов, которые представляются в виде двухпортовых устройств, следовательно, сохраняются измерения в s2p-файлы.

По завершению работы с измерительным прибором следует закрыть канал связи с ним, для этого служит метод viClose, на вход которому передается идентификатор сессии. Тот же метод с входным параметром resourceManager закрывает сеанс VISA, при этом закрываются сеансы всех устройств, открытые с помощью данного менеджера ресурсов.

Разработанное приложение реализует расчеты на основе измеренных параметров. Далее приведем необходимые для расчетов формулы.

Формула расчета коэффициента стоячей волны (КСВ):

Объекты класса «AisData» содержат безразмерные значения S₂₁, но для амплитудно-фазового распределение коэффициента передачи (АФР КП) нужны значения в дБ. Для этого используется следующее преобразование:

Формула для расчета коэффициента полезного действия (КПД):

Множитель S_a - скалярная величина. Формула множителя для частного случая строки излучателей и исследуемых направлений в плоскости yz:

где - амплитуда КП с выхода n на исследуемый вход,

- фаза КП с выхода n на исследуемый вход [3].

Перейдем к программной реализации расчетов. Класс «AisData» предназначен для хранения данных об измерениях, загруженных из внешних файлов. При загрузке данных создается двумерный массив объектов класса «AisData», для каждого канала исследуемого устройства. Поля содержат набор измеренных отсчетов фаз и амплитуд S-параметров. Класс «AisObrabotka» служит для описания статических методов для расчета соответствующих характеристик: «AFRofAmplituda» - амплитудное распределение КП, «AFRofFaza» - фазовое распределение, «KPD» - КПД для всех лучей, «KStVtoInput» - КСВ по входам, «KStVtoOutput» - КСВ по выходам, «MnoghReshDOUforOneInput» - множитель решетки для одного луча, «MnoghReshDOUforAllInput» - множители для всех лучей, «Peleng» - пеленгационные характеристики [4].

Разработанное программное обеспечение позволило избежать необходимости выполнять перебор измеряемых каналов исследуемого многопортового СВЧ-устройства вручную, что составляло основную часть времени, затрачиваемого на выполнение измерений. А также дало возможность сохранять данные об измерениях во внешний файл, что экономит время и исключает ошибки в результате влияния человеческого фактора. Кроме того, получаемые таким способом данные отличаются повышенной подробностью. К тому же при выполнении большого количества переподключений страдало как дорогостоящее измерительное оборудование, так и исследуемые устройства, это связано со слабым ресурсом используемых разъемов, а разработанная система лишена указанного недостатка. Более того, данная система делает возможным наглядное представление измерений в виде графиков и документирование параметров в такой форме.

Список литературы

1. Данилин А.А. Измерения в технике СВЧ. М.: Радиотехника, 2008. 184 с.

2. Жерновенков В.А., Тарасенко П.А., Пушкин Н.М. Измерение СВЧ параметров модулей АФАР и обработка результатов на автоматизированном стенде // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. 2012. №6(89). URL: http://cyberleninka.ru/article/n/izmerenie-svch-parametrov-moduley-afar-i-obrabotka-rezultatov-na-avtomatizirovannom-stende (дата обращения: 21.03.2016).

3. Амитэй Н., Галиндо В., Ву Ч. Теория и анализ фазированных антенных решеток. М.: МИР, 1974, 458 с.

4. Петцольд Чарльз. Программирование с использованием Microsoft Windows Forms. С-Пб.: Русская Редакция, 2006, 433 с.

Размещено на Allbest.ru