Устройство для измерения разности фаз и коэффициента затухания двух сигналов

 

Изобретение относится к области измерительной техники. Цель изобретения - повышение точности измерений. Для этого в устройство, содержащее генератор высокой частоты 1, клеммы 2 для подключения измеряемого четырехполюсника , фазовые .манипуляторы 3, 6, делитель 8 частоты, квадратичный детектор 11, .генератор 5 импульсов, фильтр 12 промежуточной частоты, синхронный детектор 15, фильтр 17 низкой частоты, введены фазовый модулятор 4, и.нвертор 9, фазовый манипулятор 7, сумматор 10, усилитель 13 промежуточной частоты, второй делитель 14 частоты, фазовый модулятор 16 промежуточной частоты (ПЧ). Применение фазового модулятора 16 позволяет перенести информацию от измеряемых параметров К и (где Kj - коэффициент затухания; фазовый сдвиг) на промежуточную частоту. Применение третьего фазового манипулятора позволяет исключить паразитную амплитудную модуляцию ША. Подстройкой индекса фазовой модуляции ПЧ фазового модулятора u©K.of удается скомпенсировать погрешность установки индекса фазовой манипуляций ьб 2 эк«. что в итоге повьшает точность измерений. Точность измерений предлагаемого устройства составляет 1 - 1,7°по фазе и 0,2-0,3 дБ по амплитуде в динамическом диапазоне 50 - 55 дБ, что выгодно отличает его от прототипа. 1 ил. --Стг t I (Л С 1ч9 { Ч а «ч

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (5D 4 G 01 R 25/00 ц J

13

» Ц" -Р..

Н A ВТОРСНОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР по делАм изОБРетений и ОтнРытий (21) 3790634/24-21 (22) 18.09.84 (46) 30.07.86. Бюл. № 28 (72) А.Б.Козлов, Л.А.Летунов и И.Н.Яковцев (53) 621.317.77(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 471551, кл. G 01 R 25/00, 1973.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1002980, кл. G 01 R 25/00, 1983. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗНОСТИ ФАЗ И КОЭФФИЦИЕНТА ЗАТУХАНИЯ

ДВУХ СИГНАЛОВ (57) Изобретение относится к области измерительной техники. Цель изобретения — повышение точности измерений.

Для этого в устройство, содержащее генератор высокой частоты 1, клеммы 2 для подключения измеряемого четырехполюсника, фаэовые манипуляторы 3, б, делитель 8 частоты, квадратичный детектор 11, .генератор 5 импульсов, фильтр 12 промежуточной частоты, синхронный детектор 15, фильтр 17 ниэ„„SU„„) 247777 А1 кой частоты, введены фазовый модулятор 4, инвертор 9, фазовый манипулятор 7, сумматор 10, усилитель 13 промежуточной частоты, второй делитель 14 частоты, фазовый модулятор 16 промежуточной частоты (ПЧ). Применение фазового модулятора 16 позволяет пере нести информацию от измеряемых параметров К „ и 9„ (где К„ - коэффициент затухания; Ч - фазовый сдвиг) на промежуточную частоту. Применение третьего фазового манипулятора позволяет исключить паразитную амплитудную модуляцию m . Подстройкой индекса фаэовой модуляции ПЧ фазового модулятора Ь@„,р удается скомпенсировать погрешность установки индекса фазовой манипуляции a8, 1,, что в итоге повышает точность измерений. Точность измерений предлагаемого устройства составляет 1 - 1,7 по фазе и 0,2-0,3 дБ по амплитуде в динамическом диапазоне 50 — 55 дБ, что выгодно отличает его от прототипа. i ил. Я с:: —; э гй ицю@-» » 4 чакр7тацуб ъ 1

1247777

Изобретение относится к измерительной технике .и может быть использовано для измерения разности фаз и коэффициента затухания двух когерентных сигналов, а также в составе комплекса для снятия АФР-антенн.

Цель изобретения — повьппение точности измерений.

На чертеже приведена структурная электрическая схема устройства.

Устройство состоит из генератора

1 высокой частоты, клемм 2 для подключения измеряемого четырехполюсника, первого фазового манипулятора 3, фазоР вого модулятора 4, генератора 5 импульсов, второго фазового манипулятора б, третьего фазового манипулятора 7, делителя 8 частоты, инвертора 9, сумматора 10, квадратичного детектора 11, фильтра 12 промежуточной частоты, усилителя 13 промежуточной частоты (ПЧ), второго делителя 14 частоты, синхронного детектора. 15, фазового модулятора 16 промежуточной частоты, фильтра 17 низкой частоты.

Генератор 1 соединен с клеммами для подключения измеряемого четырехполюсника, выход которого через последовательно соединенные первый 3, второй 6 и третий 7 фазовые манипуляторы, сумматор 10, квадратичный детектор 11, фильтр 12 промежуточной частоты, умножитель 13 промежуточной частоты, синхронный детектор 15 и фильтр 17 низкой частоты (НЧ) подключен к выходу устройства. Генератор 5 импульсов соединен одновременно с фазовым модулятором 4, делителем 8 частоты, делителем 14 частоты и вторым фазовым модулятором 16 промежуточной частоты, выход которого соединен с вторым входом синхронного детектора 15, а выход делителя 14 частоты на К вЂ” с вторым входом второго фазового модулятора 16 промежуточной час тоты. Выход первого фазового модулятора 4 соединен с вторым входом первого фазового манипулятора 3, выход делителя 8 частоты — с вторыми входами первого фазового модулятора 4, второго фазового манипулятора 6 и через инвертор 9 — третьего фазового манипулятора 7, а второй вход сумматора 10 соединен с выходом генератора 1 высокой частоты.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал на. выходе генератора 1 может быть описаМ как

a„(t) =А,соэ о3,г., (1) где А и d /2П вЂ” соответственно

5 амплитуда и частота генератора 1.

Сигнал проходит через измеряемый четырехполюсник, где получает фазовый сдвиг У„ и коэффициент затуха10 ния К„

Ао х сов(оЭ + „) . (2)

Сйгнал на выходе генератора 5 импульсов описывается как

4 1 т Э1П1Я,С, (3)

15 и; 1д., где Я,/211 — частота следования прямоугольных импульсов генератора 5.

Пройдя фазовый модулятор 4, на мо20 дулирующий вход которого подается прямоугольный импульс с частотой

Я,/2Пп= Я 2%, т.е. Q. =й1, сигнал на

)I .. выходе фазового модулятора 4, создающего индекс фазовой манипуляции

25 e„,„-=(9 +л6„, ), можно описать выражением

4 1

Е- э1п Я + (9 + I@oI )

1=1,3,5

„4 1

-sin КЯ t), (4)

З0 = 13,5

Ф. где 8 — индекс фазовой манипуляции, 2

Равный 4.

Л „др характеризует фактически подстройкуО, т.е. 8 „„ можно вручную

35 регулировать (подстраивать), что легко обеспечивается в области относительно низких частот.

Тогда сигнал на выходе первого фазового манипулятора, создающего ин№О декс фазовой манипуляции (6„+лО„), где О,=-, а ЛО, — неточность установП ки (обычно 5 — 10%) индекса фазовой манипуляции по СВЧ, можно описать №5 выражением а (t)=A,К„1+- .— K —. sin(i Я,t+

m,4 1 .Э 2 П ьк„,Э1

4 1 ь(й +ьб„,ь)К ь КьiпКЯ t)j x

i =1,3,5

xc os (d, t.+ „+ (6), + л,) - —, in fi g t i

4 1

<=,Ú,5 и

+(8 +ЛВ„р )у Е;, slnKQ2t)j, (5) где m — величина, характеризующая разность коэффициентов передач первого фазового манипулято- " ра .3 при разных фазовых состояниях.

Фактически ш — индекс паразитной

1,247777 амплитудной манипуляции, сопутствующей фазовой (обычно m 0,1)., а ( (П

- =0,05 (для известного устройства

m„=-4К, ) .

Второй и третий фазовые манипуляторы 6 и 7 создают индексы фазовой манипуляции соответственно (О + 49 )

2 . 2 и -(6 + 49), гда 9 =(А 49 — неточЗ з 22 ность установки на СВЧ 9 8 =- ! о а 4»

4@ — неточность установки на СВЧ 6) 3 »

4 О2, 4 О обычно 5 — 10, и индексы паразитной амплитудной манипуляции

-- ) и — - . !

2 . 2

Наличие знаков (-) перед - и nem

2 ред (О+ 40 ) характеризует то, что на третий СВЧ фазовый манипулятор 7 модулирующий импульс с частотой Qz/25 заводится через инвертор в отличие от второго фазового манипулятора 6, на модулирующий вход которого он по-: падает неинвертированным.

Сигнал на выходе третьего фазово25 го манипулятора 7 можно описать вы1 ажением . (7) а (t)=A,K„!1+- — ) —.в(п(ап t+

m 4 1

4 (" 2 Й;в.12З 1 30

1.4 1,д, ад ), - -s(nK 9 »11»

«=1М

-sinKQ t)" eos (M, t+9 +((х), + (2 ) х

4 1 . 35

» к кв 1,1Л

40 где»! — разность фаз между s*(t) и а, (t).

Тогда

as (t) г =А2 Кг 1+-1 — —,$1n (i g, С.(m 4 1

2 в 1„q I»s i

4 1

+(82+ „.р )- -sinKЯ,с1) +A2+ кп(,зs К

m)4 1 lll х(1+- - Е:: -$1пК t2 11 кв1 к 2 2 х- Т вЂ” —.sin (i Q,t+(®,+ 4 1ю, )

4 1

;в.Д, 1

4 " 1 . -: 4 1

$1пКРФ+(2+ 2)11 -. $1пК5 ф-45

Г K-Абк

2 2 1! К

4 1 .-(9 +40 )- -sinKQ tj. (6), к ЛАК

Обычно фазовые манипуляторы (HJIH управляемые дискретные фазовращатели)5О а выполняются на базе диодных коммутаторов, г.зтери которых зависят от" параметров управляющего сигнала, который открывает или закрывает диод (pin). Управляющими сигналами (неко- 55 торым изменением амплитуды управляющих импульсов можно выравнять потери второго и третьего, фазовых манипуляторов, т. е. m и m, тогда выражение вида (6) переписывается в виде а (t) =A К .11+- — —.$1п(1Я.t+

m 4 1

° х 2» 1

< =--1

+(< +tP I) Й в(пКП t)J

4 1 кор 1в

xcos Id, t+Y„+(8„+48 ) Š— —.sin(i R; t+

i=«р,5

4 1

+(О,,+49„О„)-х 5 .-sinK5!. t+(9, -О +

° Кв1,й,й К

4 — 1 (-вД -40 ) Л . $1пК-Я »! к-рФ

И ПРИ УСЛОВИИ, Чта Ы2ап- О й-в=4 2 <-,=-8 . Обозначаем aug -46 =-М

З 2УКВ

Фактически второй и третий фазовые манипуляторы зквивалентны одному фазовому коммутатору, создающему индекс фазовой манипуляции -(e + аО

2 2зк(» причем амплитудная манипуляция сопутствующая фазовой, здесь скомпенсирована.

Далее сигнал, описанный выражением (7), суммируется с сигналом генератора 1, описанным выражением (2) в сумматоре 10 а.,() =а,. ()+а)1(Г) =А,К„ 1+2 —.sin(i3„t+(9 +4 Î2„, ) -х

1 х 7 -sinÊ5?2t j cos АА) t+4 +(9, +

4 1

+ 4О,)» —.Sin fi 2,t+(9 + 40кор). в1З, 1

11- х - $111 К 2 ) ® +дджь) 2К=Р,5" " цФ

Itin К Ява)в А,пов),.В. (8) Квадратичный детектор 11 выдь...Ает квадрат огибающей сигнала (8) !ак (t)I =! à (t)l+{ а)),(Г.) 2+2 à (С)1», ja+(t)I созе, 1247777 при Ос ta-1 °

Т

Э (1 1) при 2> c t

С К с»за л

Cd К„$1п»pk а, (t)=

+2А2К 11+-1- —,1 —.sin(i t+(8 +40 )

m 4 1

2 11

YQV

Я " -$1пКЯ t)} x cos (Ч +(8 +dg„), 5 ! » . К 2 ,ь

4 1. ..4О

° s in (1 Я.» t+ (0 t+ h «р)

i=»,>,5 . к=»,s,s

4 оо

КцС)-i»».!а»»»,„г»- » -sinKS! t). (9)

Сигнал вида (9) проходит фильтр 12 и усиливается усилителем ПЧ 13 °

Фильтр 12 и усилитель ПЧ 13 настрое!

5 ны на частоту < /26, причем полоса пропускания последних lt«2 Q. /2»» и после ряда преобразований сигнал на выходе усилителя ПЧ 13 имеет вид

ПРИ 40 кс = 82 „ соз д 92 „ $1п ДО »<д=

46 яw8 а„, (t)=а (t)+a (t).

4 Г2Кш а (t) =--А К со$2ДО

»о и x . 2 ко 2 (1-дд

$1ПЯ t i $1ПДл» COSY $1ПQ)t+

2 л

+cos (Я,t+V„)1

Видно, что первый член выражения (10) с ростом К уменьшается по З0 х отношению к измерительному члену соз(Я„t+»pÄ), так при наличии в измерительном канале начального затухания

Kd=7 — 8 дБ он меньше на 30 дБ, что соответствует точности измерения фа- З5

О эы 1,7 и амплитуды 0,3 дБ. С увеличением К„ точность измерений возрастает.

Р

Второй член в любом случае меньше измерительного члена на 40 - 50 дБ, что снижает точность измерения по фа- щ

О зе на 0,5, а по амплитуде — на 0,1 дБ

В нижней части амплитудного динамического диапазона точность падает за счет увеличения влияния шума. Так при

К»=55 — 60 дБ точность измерений по фазе составляет 1 7 и 0,3 дБ по амплитуде, затем ухудшается с ростом К„.

Учитывая, что на опорный вход синхронного детектора 15 поступает сигнал с фазового модулятора 16 в виде последовательно следующих (с часто- Л той,/23K=- = — ) квадратурных ком2Н Тэ понент опорного сигнала с частотой сигнал на выходе фильтра НЧ 17 йропорционален квадратурным компонентам где С вЂ” коэффициент пропорциональности, Измерить разность фаз» „и вноси»мое затухание можно непосредственно, используя сигнал вида (10) с выхода ,усилителя 13. Измерения проводятся с помощью стандартных приборов, например ПЧ фазометра Ф2-16 и цифрового вольтметра В7-28.

Равенство дь»„Ор= — д@ „ достигается следующим образом.

В измерительный канал вместо изделия включается плавный фаэовращатель и последовательно с ним фиксированный аттенюатор так, чтобы суммарное ослабление плавного фазовращателя и аттенюатора составляло около 30 дБ, т.е. Кх».=30 дБ. Тогда сигнал на выходе УПЧ 13 можно записать как (0»» х 2экЬ 2 э 6

4 (С О $ d e»i»»p + $1П Д О кОр ) CO $ л» Х С О $ Я

4 — -А 4K„(cos д 62,„д -sin д@2,»,д ) (oos d8,,—

4 2

-s in 48„dp ) s in 9 xsin 9 =йА2 К„((соз д +

+s1n 46 2 p,) (oos46„»»„+$1nd6 )x

Х$1П(Я С+Ч „)+2$1П(4 2 Д Дик, р )

s i,nÌ„s ink, t (12) Видно, что в выражении (12) первый член определяет полезный сигнал, а второй член — помеху. При изменении Ч„ суммарный вектор по амплитуде изменяется, так как полезный вектор сдвигается по фазе íà q а помеха х изменяется по амплитуде. Изменяя фазовый сдвиг, вносимый раздвижной коаксиальной линией, можно наблюдать изменение амплитуды сигнала (12). Теперь, изменяя индекс фазовой манипуляции фазового модулятора 4, добиваются при изменении х отсутствия иэменени-. амплитуды сигнала (11), что соответствует отсутствию помехи, т.е. устанавливается равенство 48

»!dP

=-40 . . Следовательно, после про2 зкб ведеййых настроек на выходе усилителя 13 присутствует сигнал

4 а *()= А 21<„со$246 „ cos(Q,t+9„) .

1247777

Формула изобретения

Составитель А.Шубин

Техред И. Верес . Корректор M. Пожо

Редактор Н.Швыдкая

Заказ 4810

Тираж,728 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r.Óæãoðoä, ул.Проектная, 4

Таким образом, применение фазового модулятора 16 позволяет свернуть квадратурные составляющие измеритель" ного сигнала (алгебраическая форма записи сигнала в комплексной форйе), которые передаются в разные моменты времени, в обычный сигнал (в показательную форму комплексного числа), т.е. перенести информацию об измеряемых параметрах К„ и Ч„ на промежуточ- 10 ную частоту. При этом применение . третьего фазового коммутатора позволяет исключить паразитную амплитудную модуляцию m, а подстройкой ин2 декса фаэовой модуляции ПЧ фазоI вого модулятора 68 ой, удается скомпенсировать погрешность установки индекса фазовой манипуляции 68 „ что в итоге повьш ает точность измерений. Точность измерений предлагаемого устройства, как видно из анализа прохождения сигнала составляет 1 о

1,7 по фазе и 0,2 — 0,3 дБ по амплитуде в динамическом диапазоне 50—

55 дБ.

Устройство для измерения разности фаз и коэффициента затухания двух сигналов, содержащее генератор высокой 30 частоты, генератор импульсов, последовательно включенные первый и второй фазовые манипуляторы, первый делитель частоты, соединенный входом с генератором импульсов, а выходом соединенный с вторым входом второго фазового манипулятора, квадратичный детектор, . соединенный с входом фильтра промежуточной частоты, синхронный детек1 тор, выход которого соединен с входом фильтра низкой частоты, две клеммы для подключения исследуемого четырехполюсника, одна из которых соединена с выходом генератора высокой частоты, а другая — с входом первого фазового манипулятора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повьппения точности измерения, в него введены фазовый модулятор, инвертор, третий фаэовый манипулятор, сумматор, усилитель промежуточной частоты, второй делитель частоты, фазовый модулятор промежуточной-частоты, при этом выход генератЬ" ра импульсов соединен с входами фазового модулятора, первого и второго делителей частоты и фазового модулятора промежуточной частоты, выход первого делителя частоты соединен с входами фазового модулятора и инвертора, выход которого подключен к входу третьего фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом второго фазового манипулятора, а выход— с входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом генератора высокой частоты, выход фазового модулятора соединен с вторым входом первого фазового манипулятора, выход сумматора соединен с входом квадратичного детектора, выход фильтра промежуточной частоты через усилитель промежуточной частоты соединен с входом синхронного детектора, а выход второго делителя частоты соединен с вторым входом фазового модулятора промежуточной частоты, выход которого соединен с вторым входом синхронного детектора.