Разработка и исследование программно-аппаратного комплекса для испытаний усилителей СВЧ диапазона

В настоящее время остро стоит проблема о качестве ЭКБ поставляемой на военно-космическую отрасль, этот вопрос имеет высокую актуальность, так как от качества ЭКБ может зависеть человеческая жизнь, огромные средства и время. Разработка и исследование представляемого комплекса, направлено на отслеживания и выявления не соответствующей продукцией, тем самым улучшается качества поставляемой продукции для космической и военной отросли.
Поэтому данная тема «Разработка и исследование программно-аппаратного комплекса для испытаний усилителей СВЧ диапазона» является актуальной.
Актуальность

Цель работы:
Разработка автоматизированной контрольно-измерительной системы (КИС), позволяющей проводить измерения электрофизических параметров усилителей СВЧ диапазона, выполненных в виде интегральных микросхем с возможностью выявления потенциально ненадежных.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Исследование особенностей усилителей СВЧ диапазона;
Исследование требуемого оборудования для комплекса;
Разработка подключающих устройств для СВЧ усилителей;
Разработка методики и аппаратной части измерений параметров;
Автоматизация измерений электрических параметров СВЧ-устройств.
Цели и задачи

Анализ особенностей работы
На сегодняшний день производителям военно-космической аппаратуры приходится использовал зарубежную ЭКБ не имеющих исчерпывающего комплекта документации, подтверждающей соответствие параметров, заявленных заводом-изготовителем. Таким образом, для подтверждения соответствия и присвоения комплекта документов для проверяемой ЭКБ необходимо проводить проверку электрических параметров.
Параметры СВЧ усилителей:
- Коэффициент усиления до 29 дБм;
- Рабочий диапазон частот от 0,1 ГГц до 20 ГГц;
- Выходная мощность до 22 дБм;
- Коэффициент шума до 6 дБм;
- Напряжения питания до 200 В постоянного тока;
- Ток потребления до 3 А.

Разработка комплекса
Рисунок 1 - Комплекс измерительный, СВЧ аппаратуры

Параметры
Часто проверяемые параметры усилителей СВЧ диапазона:
Потери на входе, выходе;
Коэффициент усиления;
Развязка межу сигнальной шиной и землей (изоляция).
Рисунок 2 – Графики полученных при проверки усилителя ERA-1SM
Также, разработанный комплекс рассчитан на проверку параметров:
Максимальная измеряемая мощность не менее 20;
Измерения коэффициента отражения (S11, S22);
Коэффициент передачи (S12, S21)
Напряжение питания постоянного тока от 0,01 В до 200 В;
Ток потребления от 0,001 А до 3А.

Схема электрическая принципиальная ПУ
Схема построена с учетом проверяемых СВЧ параметров усилителя.
Рисунок 3 – Схема электрическая принципиальная ПУ для усилителя HMC441

Печатная плата ПУ
Рисунок 4 – Печатная плата для подключающего устройства усилителя HMC441
Разработана и изготовлена двухсторонняя печатная плата.
Плата соответствует 3-й группе жесткости по ГОСТ23752-97.
Класс точности 4, ГОСТ Р 53429-2009.

Рисунок 5 – Основание спроектировано в КОМПАС-3D
Основание для ПП
Основание разработано и изготовлено из латуни
ЛС59-1 ГОСТ 15527-2004.
Состав ЛС59-1:
медь 57-60 %;
цинк 37,05-42,2 %;
свинец 0,8-1,9 %;
различные примеси 0,75 %.

Основание для ПП
Рисунок 6 – Основание спроектировано в КОМПАС-3D

Защитная крышка
Крышка разработано и изготовлено из полиамида
ПА6 ОСТ 6-06-С9-93.
Рисунок 7 – Защитная крышка спроектировано в КОМПАС-3D

Защитная крышка
Рисунок 7 – Защитная крышка спроектировано в КОМПАС-3D

Подключающее устройство
Рисунок 8 – Пример готового ПУ для бескорпусных усилителей HMC441
ПУ разработаны с соответствием всех технических условий и требований поставленных для работы.

Подключающее устройство
Рисунок 9 – ПУ спроектировано в КОМПАС-3D

Программная реализация методики в среде Agilent VEE Pro 9.2
Рисунок 10 –Блок схеса в среде Agilent VEE Pro 9.2

Пользовательский интерфейс
Разработан интерфейс для автоматизированной системы проверки параметров, с помощью которого осуществляется ввод информации и запуск начала проверки параметров СВЧ усилителей.
Рисунок 11 – Пользовательский интерфейс

Интерфейс параметром
Рисунок 12 – Графический пользовательский интерфейс
Для быстрого анализа и визуального восприятия полученных результатов измерений, имеется интерфейс параметров.

Результат проверке
После провиденной проверке параметров, формируется отчет в программе Microsoft Excel, который в дальнейшем нужен для провидения анализа проверке.
Рисунок 13 – Пример сформированного отчета для усилителя HMC441

Анализ полученных данных
Для анализа данных проверенных элементов, за основу были взяты данные от изготовителя ЭКБ и проведены сравнения.
Рисунок 14 – График
коэффициента усиления усилителя HMC441 полученный при проверке
Рисунок 15 – Теоретический график коэффициента усиления приведенный в технической документации производителя

Сравнение параметров
Рисунок 16 – Параметры изготовителя, усилителя HMC441
Рисунок 17 – Измеренные параметры, усилителя HMC441
Среднее отклонение коэффициента усиления на частоте от 7 до 15,5 ГГц составила, 1,6 дБм для усилителя HMC441.

Рабочее место оператора
Рисунок 18– вспомогательное устройство (СВЧ тиски) и ПУ для HMC441
Рисунок 19 – готовое рабочее место, для проверки СВЧ параметров усилителя HMC441

Заключение
В ходе проделанной работы были выполнены следующие поставленные задачи:
Проработаны и учтены все особенности усилителей СВЧ диапазона по ГОСТ 29180-91.
Разработан измерительный комплекс на базе СВЧ приборов с учетом методов измерения электрических параметров, ГОСТ 20271,1-91.
Разработано подключающее устройства для усилителей СВЧ диапазона, рабочая чистота которых составляет от 0,1 ГГц до 15,5 ГГц и выходная мощность до 29 дБм.
Разработана методика в среде Agilent VEE Pro 9.2 для управления измерительными приборами комплекса.
Пользовательский интерфейс разработан для автоматизации процессов измерения электрических параметров и удобства использования программного модуля. Пользовательский интерфейс позволяет исключить человеческий фактор из испытаний а также понизить требования к квалификации персонала.
Проанализирована эффективность комплекса в частотном диапазоне до 15,5 ГГц и выходной мощности до 22 дБм, и относительная погрешность измерения составила 6,58%.