CC BY
23
Sachenko Ekaterina Alexeevna, postgraduate, kittie-kat@yandex. ru, Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University,
Kuz 'menko Alexander Vasilyevich, chief designer, et@et32.ru, Russia, Bryansk, Research and Production Company OOO 'NPO 'Electrontechnika'
УДК 004.4
РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ТЕСТИРОВАНИЯ И ДОКУМЕНТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОПОРТОВЫХ СВЧ-УСТРОЙСТВ
А. А. Карышев, В.В. Сорочан, А.В. Безрукова
Рассматривается система автоматизации тестирования электротехнических характеристик многопортовых СВЧустройств и обработки полученных результатов с целью их документирования. Описывается разработанная программа, реализующая измерения параметров рассеяния многопортовых СВЧ устройств, расчет и построение графиков рассчитанных характеристик.
Ключевые слова: многополюсники СВЧ, S-параметры, КСВ, АФР, КПД, ФАР, множитель решетки, пеленгационная характеристика.
Многие области современной науки и техники немыслимы без аппаратуры диапазона сверхвысоких частот (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.
В качестве векторного анализатора электрических цепей в разработанной системе используется Agilent N5230A PNA-L Network Analyzer. Это многофункциональный анализатор электрических цепей, предназначенный для диагностики приборов и сетей. 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:
" ъ{
Ъ2_
где а1 и а2 - падающие, Ь1 и Ь2 - отраженные волны относительно 1 и 2 портов соответственно. Элементы матрицы рассеяния - так называемые 8-параметры, удобны тем, что их легко измерить и через них можно выразить другие характеристики исследуемого устройства [1].
Применяемое в составе оборудования разработанной системы полуавтоматическое переключающее устройство состоит из трех частей: пульта управления и двух высокочастотных коммутаторов. Для коммутации нужных входов с выходами на каждом из переключателей необходимо на пульт управления 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. Таким образом, данный переключатель позволяет работать с многопортовыми СВЧ устройствами с количеством портов до 48. Входы на переключателе объединены в восьмерки. Первый байт в команде на пульт управления 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.
Разработанная система состоит из двух модулей.
Модуль тестирования позволяет осуществлять для коммутации каналов исследуемого устройства управление переключающим устройством в ручном (коммутируемый канал выбирает пользователь) или автоматическом режиме (подразумевает предопределенный сценарий перебора каналов). Модуль способен взаимодействуя с векторным анализатором цепей управлять его работой (выполнять и считывать настройки), а также получать данные о проделанных измерениях и сохранять их во внешние файлы.
Модуль документирования позволяет загружать данные из файлов, созданных модулем тестирования. При этом вводится количество портов исследуемого устройства и выбираются соответствующие файлы. Файлы считываются в строки, они разбираются на лексемы, которые конвертируются в массивы чисел. 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, ам-
331
£11 £12 а1
£ 21 £ 22 а2
(1)
плитудно-фазовые распределения коэффициентов передачи, коэффициенты полезного действия лучей, множители решетки излучателей, запитан-ной через исследуемое устройство, а также пеленгационные характеристики. Кроме того, предусмотрены некоторые средства настройки отображения полученных графиков и сохранения их во внешние файлы.
Интерфейс разработанного модуля тестирования приведен на
рис. 1.
Рис. 1. Интерфейс модуля тестирования
На рис. 2 приведен интерфейс модуля с открытой вкладкой «График множителя решетки диаграммообразующего устройства(ДОУ)» и отображением графиков множителей.
Рис. 2. Интерфейс модуля документирования с открытой вкладкой «График множителя решетки ДОУ» и отображением графиков
множителей
Для программного управления полуавтоматическим переключающим устройством необходимо установить с ним взаимодействие, которое осуществляется через микросхему FTDI. При запуске приложения в первую очередь необходимо открыть соответствующее FTDI-устройство. Для этого в обработчике события загрузки основного окна приложения необходимо вызвать метод, открывающий FTDI-устройство по серийному номеру. Внутрь данного метода необходимо передать строку, содержащую серийный номер переключающего устройства, который известен заранее и не меняется. Здесь же вызываются 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, значит, не удалось выполнить соответствующую функцию, при этом всплывает окно сообщения, содержащее текст описывающий проблему и статус FTDI-устройства.
Для выполнения переключения необходимо сформировать управляющую последовательность из. Полученная последовательность трех байт отправляется по usb как управляющая команда и 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, если коммутация выполнена корректно, считанная последовательность должна совпадать с записанной. В соответствии со считанными байтами осуществляется индикация - меняется цвет фона соответствующих квадратов-индикаторов в окне приложения. Если последовательность неверна, т.е. не соответствует ни одной паре вход-выход, все квадраты индикаторы гаснут, окрашиваются в черный. На этом завершаются действия по управлению переключателем.
Для взаимодействия с измерительным прибором используется библиотека visa32.bas. VISA является интерфейсом прикладного программирования (API) для управления приборами, который позволяет программно отправлять команды и получать данные с различных контрольно-измерительных устройств. Управление измерительным прибором состоит из вызовов методов библиотеки visa32.bas и их реализации, которая подразумевает выполнение команд измерительным прибором.
Прежде всего, необходимо использовать метод viOpenDefaultRM для обработки запуска системы VISA. Эта функция должна быть выполнена до вызова других функций VISA, она устанавливает систему в исходное состояние с помощью менеджера ресурсов по умолчанию. Метод инициализирует resourceManager начальным значением, содержащим установоч-
333
ную информацию и возвращает указатель на него. Кроме того, методы библиотеки VISA возвращают код статуса, который отслеживается Forml. Он указывает на успешное или неудачное завершение функции, а значение возвращенного 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. Помимо установочной информации, на вход метода viOpen требуется передать несколько параметров. Так как функция обеспечивает соединение с конкретным инструментом, необходимо указать адрес этого устройства. Далее следует выставить параметры соединения, такие, как режим доступа и величину прерываний. В том случае, когда режим доступа не требует блокировки ресурсов, параметр, устанавливающий таймауты, игнорируется.
Метод viOpen возвращает указатель на идентификатор сессии подключения к конкретному устройству. Этот указатель затем используется для идентификации ресурсов этого сеанса при использовании других функций VISA.
После открытия сессии для GPIB-устройства по указанному адресу происходит последовательность вызовов с целью сохранения данных измерений во внешнем файле. Указанная последовательность осуществляется для каждого исследуемого канала в цикле и предваряется соответствующим переключением канала. Эта последовательность содержит вызов одной из функций форматированного ввода/вывода, это метод viPrintf. Данный метод позволяет отправлять команды измерительному прибору. В качестве параметров метод требует идентификатор сессии подключения и команду. Для сохранения данных измерений в файл используется соответствующая команда SCPI, в которой необходимо указать расположение и имя файла. При автоматическом управлении переключателем расположение файлов должно быть выбрано заранее. А имя каждого сохраняемого файла генерируется автоматически и содержит номера задействованных в момент сохранения входа и выхода исследуемого устройства.
Для сохранения данных измерений используются SnP-файлы. SnP-файлы содержат текст в кодировке ASCII. Такие файлы используются для документирования параметров рассеяния n-портовых устройств. Каждый SnP-файл хранит данные о n2 S-параметрах. В данном случае измерения проводятся для каждого канала в отдельности, а каждый канал можно представить в виде двухпортового устройства, 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. В процессе завершения сеанса устройства высвобождаются выделенные ресурсы. Тот же метод с входным параметром resourceManager закрывает сеанс VISA, при этом закрываются сеансы всех устройств, открытые с помощью данного менеджера ресурсов.
334
Разработанное приложение реализует расчеты на основе измеренных параметров. Далее приведем необходимые для расчетов формулы.
Общая формула для расчета коэффициента стоячей волны (КСВ) через Б-параметры
КСВ}
1+
1 -
(2)
Для расчета КСВ по входам используется коэффициент отражения от первого порта измерительного прибора. Формула для расчета КСВ по входам
КСВ
вх
1 +
1 -
(3)
Для расчета КСВ по выходам используется коэффициент отражения от второго порта измерительного прибора. Формула для расчета КСВ по выходам
КСВ
вых
1 + 5 22
1 - 5 22
(4)
Амплитудно-фазовое распределение коэффициента передачи (АФР КП). При формировании данной характеристики можно использовать как параметр Б21, так и параметр Б12. В разрабатываемой системе для этого используется Б21. Амплитуда Б21 в файлах с измерениями может быть безразмерной величиной, либо единицей измерения данного параметра могут быть дБ. При создании объектов класса «Л1вБа1а» все значения приводятся к безразмерным величинам, но для АФР в качестве единиц измерения в данной системе используются дБ. Для этого используется преобразование по следующей формуле:
|5 211 [дБ ] = 20 • 1д| 5 21. (5)
Фаза КП, измеренная с помощью векторного анализатора цепей (ВАЦ), используемого с разрабатываемой системой, формирует пилообразный график, скачки набега фазы периодически повторяются, но для анализа такой график выравнивают, удаляя скачки величиной в 2п. Так как требуется сравнение набега фазы по разным каналам, рассчитанные значения обнуляют, вычитая из всех значений значение, соответствующее среднему каналу.
Формула для расчета коэффициента полезного действия (КПД) ь того входа (через параметр Б21):
КПД,
по
у| 5 I
вых.п
выходам
Множитель решетки Ба - скалярная величина. Общая формула для расчета множителя решетки излучателей
335
(в,Ф) = II УшпеКт 1§1П 9С08Ф+§1П 9§1П Ф) (7)
т п
где 9 - угол, образованный исследуемым направлением и осью 7, направленной перпендикулярно плоскости решетки; ф - угол, образованный проекцией исследуемого направления на плоскость решетки и осью х, расположенной в плоскости решетки (оси х, у, 7 образуют правую тройку векторов); т - индекс ряда излучателей по оси х; п - индекс ряда излучателей по оси у; Ь - период решетки излучателей вдоль оси х; ё - период решетки излучателей вдоль оси у; Х - заданная длина волны; V тп - комплексное возбуждающее напряжение,
Vmn = \VmnW(тУу У). (8)
Формула множителя для частного случая строки излучателей и исследуемых направлений в плоскости у7 через параметр Б21
£а (9) = 121 в{2ш{81п 9+у], (9)
п
где |£ 21) - амплитуда КП с выхода п на исследуемый вход; у - фаза КП с
выхода п на исследуемый вход.
Пеленгационная характеристика - разность множителей соседних лучей на интервале углов между максимумами этих множителей [2]. Перейдем к программной реализации расчетов.
AisData
Класс
■ Поля
а pointSHAM PointFO
pointSUFAZ PointFO
po¡ntS12AM PointFO
а po¡ntS12FAZ PointFO
po¡ntS21AM PointFO
# po¡ntS21FAZ PointF]]
а po¡ntS22AM PointFO
# po¡ntS22FAZ PointF]]
IJgol: doublet]
Методы
® AisData(double[] Freq, doubieD SHAM, double[] S11FAZ,
doublet] 512AM, doublet] S12FAZ, doublet] S21AM,
doublet] S21FAZ, doublet] S22AM, double]] S22FAZ]
е. doubleToPointF(double[] arrayX, doublet] arrayY) : PointFf]
UgolIniQ : void
AisObrabotka Л
Класс
в Методы
9 AFRofAmpl¡tuda(AisData[,] ais): PointFU a AFRofFaza(AisData[J ais) : PointFU]
a» getIndexOfMinimalInteiva!OfAfray(PointF(j pointFreq, double Freq): int 6" KPMAisData].] ais): PointFU s> KstVtoInput(AisData[,l ais): PoIntFL] a KstVtoOtput{AlsData[,J ais): PointFl]
a MnoghReshDOUforAilInput(AisOata[,] ais, double íreq, double periodReshoíld): Po¡ntF[,] a MnoghReshDOUforOne[nput(AisData].] ais, int input, double freq, double periodReshotki): PointFO
a Peleng(PointF[J pointMnDou); PointFQD
--
Рис. 3. Классы «AisData» и «А180ЬгаЬо1ка»
На рис. 3 приведены члены классов «Л1вБа1а» и «Л1вОЬгаЬо1ка» с описанием полной сигнатуры.
Класс «Л1вБа1а» предназначен для хранения данных об измерениях, загруженных из внешних файлов. При загрузке данных создается двумерный массив объектов класса «Л1вБа1а», первая размерность данного массива соответствует количеству входов исследуемого устройства, вторая
336
размерность массива - количество выходов исследуемого устройства. Таким образом, для каждой пары индексов вход-выход, указывающей один канал в исследуемом устройстве, существует по одному объекту «AisData». Поля «pointS11AM», «pointS11FAZ», «pointS12AM», «pointS12FAZ», «pointS21AM», «pointS21FAZ», «pointS22AM», «pointS22FAZ» содержат набор измеренных отсчетов фаз и амплитуд S-параметров для одного канала. Каждый такой отсчет является точкой типа PointF, где X - частота при которой было измерено значение, Y - само значение. Массив «Ugol» типа double - значения углов в градусах в диапазоне от -90 до 90 с шагом в 0,5, он используется при вычислении множителя решетки.
Также класс «AisData» содержит общедоступный конструктор и два приватных метода. Метод «doubleToPointF» позволяет создавать массив точек на основе массива с координатами X и массива с координатами Y. Метод «UgolIni» заполняет массив «Ugol». Данные методы используются конструктором.
Класс «AisObrabotka» предназначен для описания статических методов, позволяющих выполнять расчеты характеристик. Все общедоступные методы данного класса, кроме «Peleng» принимают на вход массив объектов класса «AisData», т.е. полные данные измерений.
Метод «AFRofAmplituda» предназначен для вычисления амплитудного распределения КП. Метод возвращает трехмерный массив типа PointF, где первой размерностью является количество входов, вторая размерность - количество выходов исследуемого устройства, третья размерность соответствует количеству точек в каждой снятой характеристике.
Метод «AFRofFaza» предназначен для вычисления фазового распределения КП. Сигнатура метода - в точности как у предыдущего.
Метод «KPD» предназначен для вычисления КПД для всех лучей. Метод возвращает двумерный массив типа PointF, где первой размерностью является количество входов исследуемого устройства, вторая размерность соответствует количеству точек в каждой снятой характеристике.
Метод «KStVtolnput» предназначен для вычисления КСВ по входам. Сигнатура метода - в точности, как у предыдущего.
Метод «KStVtoOutput» предназначен для вычисления КСВ по выходам. Метод возвращает двумерный массив типа PointF, где первой размерностью является количество выходов исследуемого устройства, вторая размерность соответствует количеству точек в каждой снятой характеристике.
Метод «MnoghReshDOUforOnelnput» предназначен для вычисления множителя решетки для одного отдельно взятого луча. Кроме данных измерений, требует на вход значение фиксированной частоты, период решетки и номер входа. Метод возвращает массив типа PointF, длина которого соответствует количеству углов, для которых вычисляется значение множителя.
Метод «MnoghReshDOUforAШnput» предназначен для вычисления множителя решетки для всех лучей. Метод используется при вычислении пеленгационных характеристик. Метод возвращает двумерный массив типа РоМБ, где первой размерностью является количество входов исследуемого устройства, вторая размерность - количество углов, для которых вычисляется значение множителей.
Метод «Pe1eng» предназначен для вычисления пеленгационных характеристик. Требует на вход массив с множителями решетки для всех лучей. Возвращает массив массивов типа РоМБ, где размерность внешнего массива - количество пересечений лучей, а внутренние массивы содержат точки в пеленгационной характеристике, для разных пар лучей их количество меняется.
Метод «getIndexOfMinima1Interva1OfЛrray» используется методами «MnoghReshDOUforOneInput» и «MnoghReshDOUforA11Input». Дело в том, что множители рассчитываются для фиксированного значения частоты, вводимого пользователем, а измерения выполняются в заданном диапазоне с таким шагом, чтобы получить определенное количество точек (20016001). При этом отсчета в точности соответствующего введенному пользователем значению частоты может не оказаться, тогда множитель рассчитывается для ближайшей частоты, для которой имеются измеренные данные. Для поиска такой ближайшей частоты и служит метод «getIndexOfMinima1Interva1OfЛгray». Метод возвращает порядковый номер отсчетов, соответствующих «ближайшей» частоте, в массивах объектов класса «AisData». Такая замена допустима, если учесть достаточно большое количество точек в каждой измеренной характеристике [3].
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. Амитэй Н., Галиндо В., Ву Ч. Теория и анализ фазированных антенных решеток. М.: МИР, 1974, 458 с.
3. Петцольд Чарльз. Программирование с использованием Microsoft Windows Forms. СПб.: Русская Редакция, 2006, 433 с.
Карышев Андрей Анатольевич, канд. техн. наук, доц., a karyshevamail.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана,
Сорочан Виталий Викторович, канд. техн. наук, доц., vsorochan@mail.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана,
Безрукова Анастасия Викторовна, студентка, a_karyshev@mail.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана
DEVELOPMENT OF A COMPUTER-AIDED SYSTEM OF TESTING AND DOCUMENTING OFELECTROTECHNICAL CHARACTERISTICS OF THEMULTIPORT
MICROWA VE DEVICES
A.A. Karyshev, V. V. Sorochan, A. V. Bezrukova
The paper deals with the computer-aided system for testing electrotechnicalparameters of multiport microwave devices and processing of the obtained results for the purpose of documenting. It describes how to develop a program which implements the measurement of scattering parameters of multiport microwave devices, calculation and plotting the calculated characteristics.
Key words: multiport microwave devices, scattering parameters, SWR, amplitudephase distribution, coefficient of efficiency, phased-array antenna, array factor, direction-finding characteristic.
Karyshev Andrey Anatolievich, candidate of technical science, docent, a_karyshev@mail. ru, Russia, Kaluga, Moscow Bauman State Technical University (the Kaluga Branch),
Sorochan Vitaliy Victorovich, candidate of technical science, docent, vsoro-chan@,mail.ru,, Russia, Kaluga, Moscow Bauman State Technical University (the Kaluga Branch),
Bezrukova Anastasiya Viktorovna, student, a_karyshev@mail. ru, Russia, Kaluga, Moscow Bauman State Technical University (the Kaluga Branch)
