Устройство для измерения сдвига фаз в четырехполюснике

 

Изобретение может быть использовано для измерения фазовых сдвигов произвольной величины различных устройств и трактов СВЧ-диапазона. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет обеспечения измерения сдвига фаз СВЧ-четырехполюсников любой физической структуры с произвольной электрической длиной при пороговом изменении сдвига фаз более 360° и плавном изменении в диапазоне 0-360°. При этом расширяются функциональные возможности, заключающиеся в проведении совместной статической обработки обоих режимов измерения, что обеспечивается их коррелированностью. Для этого в устройство, содержащее СВЧ-генератор 1, сигнал которого через импульсный модулятор 16 и делитель 2 мощности поступает на опорный и измерительный каналы, каждый из которых содержит на

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 R 27/28

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

i о, М

Сл 3

О

О (21) 4721967/21 (22) 08.06,89 (46) 07.09.91. Бюл. М 33 (71) Московский институт электронной техники (72) Е.Н.Егоров, В.B.Ïàíòåëååíêo и О,В.Шалимов (53) 621.317 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 1107074, кл. G 01 R 27/28, 1972.

Авторское свидетельство СССР

М 1182435, кл. G 01 R 25/00, 1984. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

СДВИГА ФАЗ В ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКЕ (57) Изобретение может быть использовано для измерения фазовых сдвигов произвольной величины различных устройств и тракю . Ж 1675799 А1 тов СВЧ-диапазона. Цель изобретения — повышение точности измерения за счет обеспечения измерения сдвига фаз

СВЧ-четырехполюсников любой физической структуры с произвольной электрической длиной при пороговом изменении сдвига фаэ более 360 и плавном изменении в диапазоне 0 — 360 . При этом расширяются функциональные возможности, заключающиеся в проведении совместной статической обработки обоих режимов измерения, что обеспечивается их коррелированностью, Для этого в устройство, содержащее

СВЧ-генератор 1, сигнал которого через импульсный модулятор 16 и делитель 2 мощности поступает на опорный и измерительный каналы, каждый иэ которых содержит на4

1675799 правленный ответвитель (HG) 5, 6, введены усилители 17, 19, формирователи импульсов (ФИ) 18, 20, при этом выходы HO и ФИ подключены к входам первого 3 и второго 21 коммутаторов соответственно. Выходные сигналы второго коммутатора 21 подключены к S-входам RS-триггеров 23, 24, управляющих через элемент И-НЕ 27 работой счетчика 26, подключенного одним из входов к выходу второго коммутатора 21. Выход элемента И-НЕ 27 соединен с управляющим входом блока 28 интерфейса, подклюИзобретение относится к области измерительной техники, в частности к фазометрической аппаратуре СВЧ-диапазона, и может быть использовано для измерения фазовых сдвигов произвольной величины различных устройств и трактов СВЧ-диапазона.

Целью изобретения является повышение точности измерения путем обеспечения измерения сдвига фаз СВЧ-четырехполюсников любой физической структуры с произвольной электрической длиной при пороговом измерении сдвига фазы более

360 и плавном измерении сдвигов фазы в диапазоне 0-360, при этом расширяются функциональные воэможности, заключающиеся в проведении совместной статистической обработке обоих режимов измерения, что обеспечивается их коррелированностью.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг, 2 — временные диаграммы его работы, Устройство содержит СВЧ-генератор 1, делитель 2 мощности, первый коммутатор 3, дискретный фазовращатель 4, первый 5 и второй 6 направленные ответвители, первый 7, второй 8, третий 9 и четвертый 10 мосты, первую 11 и вторую 12 нагрузки, блок 13 управления, измеритель 14 мощности, импульсный генератор 15, импульсный модулятор 16, первый усилитель 17, первый формирователь 18 импульсов, второй усилитель 19, второй формирователь 20 импульсов, второй 21.и третий 22 коммутаторы, первый 23 и второй 24 ВБ-триггеры, элемент

25 задержки, счетчик 26, элемент И вЂ” HE 27, блок 28 интерфейса, вычислитель 29, а также измеряемый четырехполюсник 30. При этом выход СВЧ-генератора 1 через импульсный модулятор 16 подклю 1ен к входу делителя 2 мощности, первый выход которого

40 ченного к вычислителю 29 и блоку 13 управления, управляющему работой первого 3, второго 21 коммутаторов, измерителя 14 мощности, дискретного фазовращателя 4 и третьего коммутатора 22, к входам которого подключены выходы трех мостов 8, 9, 10, сигналы на которые подаются с каналов связи обоих HG 5, 6. Выход третьего коммутатора 22 подключен к изме ритела 14 мощности, выход которого, а также выход счетчика 26 подключены к информационным входам блока 28 интерфейса. 2 ил. через последовательно соединенные измеряемый четырехполюсник 30 и второй направленный ответвитель 6 подключен к первому входу первого коммутатора 3, к второму входу которого через последовательно соединенные дискретнь1й фазовращатель 4 и первый направленный ответвитель 5 подключен второй выход делителя 2 мощности.

Выходы первого коммутатора 3 через первый усилитель 17 и формирователь 18 импульсов и вторые усилитель 19 и формирователь 20 импульсов подключены соответственно к первому и второму входам второго коммутатора 21, выходы которых подключены к S-входам первого 23 и второ- го 24 RS-триггеров, выходы которых через элемент И вЂ” НЕ 27 подключены к входу блока

28 интерфейса и входу разрешения счетчика

26. Второй выход первого направленного ответвителя 5 через последовательно соединенные первый 7 и третий 9 мосты подключен к одному из входов третьего коммутатора 22, второй выход второго направленного ответвителя 6 через второй 8 и четвертый 10 мосты подключен к второму, третьему и четвертому входам третьего коммутатора 22, выход которого подключен к входу измерителя 14 мощности, при этом выходы блока 13 управления подключены к управляющим входам коммутаторов 3, 21 и

22, фазовращателя 4 и измерителя 14 мощности.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал от СВЧ-генератора 1 (фиг. 1) прсходит через импульсный модулятор 16, где он моделируется импульсами от импульсного генератора 15 длительностью tm (фиг, 2а — в).

Импульсный СВЧ-сигнал делится по мощности пополам в делителе 2 мощности и поступает в опорный и измерительный каналы устройства, предварительно сбалансиро1675799 ванные по затуханию в зависимости от коэффициента передачи по мощности измеря-. емого четы рехпол юсн ика (соответствующие аттенюаторы условно не показаны). Опорный сигнал, пройдя через дискретный фазовращатель 4, имеющий два состояния 0 и

180 и находящийся в состоянии 0, поступает на вход направленного ответвителя 5.

Измерительный сигнал через измеряемый четырехполюсник 30 поступает на вход направленного ответвителя 6. Измерительный сигнал с выхода последнего поступает на первый вход первого коммутатора 3, опорнь и сигнал с первого выхода направленного ответвителя 5 поступает на второй вход первого коммутатора 3, с выходов которого опорный и измерительный сигналы поступают на соответствующие усилители 17 и 19 и далее на входы формирователей 18 и 20 импульсов, где при достижении синусоидальными сигналами порогов срабатывания формирователей на их выходах формируются прямоугольные импульсы (фиг. 2г — ж).

Прямоугольные импульсы поступают на входы второго коммутатора 21, с первого выхода которого измерительный сигнал поступает на S-вход RS-триггера 24, находящегося в нулевом состоянии, а с его второго выхода опорный сигнал поступает на S-вход

RS-триггера 23, находящегося так же в нулевом состоянии, и через элемент 25 задержки на счетный вход счетчика 26, находящегося в счетном режиме. На выходе элемента ИН Е 27 присутствует уровень логической "1", который разрешает работу счетчика 26. Первый импульс последовательности, сформированной импульсным модулятором 16, приходящий на S-вход RS-триггера 23 переводит триггер в единичное состояние, однако состояние элемента И вЂ” НЕ остается неизменным до поступления первого импульса второй последовательности, прошедшей через измеряемый четырехполюсник и задержанной по времени относительно первой, поступает на S-вход

RS-триггера 24, который переводит RS-триггер 24 в единичное состояние и формирует на входе элемента И вЂ” НЕ 27 управляющий импульс логического "0", запрещающий счет счетчика 26. Таким образом в счетчике

26 оказывается записанным число импульсов Ni. Число периодов сигнала СВЧ-генератора, задержанных в измеряемом четырехполюснике 30, равно N< — 1, соответствующее значение сдвига фазы в измеряемом четырехполюснике равно 2 л (N>-1), где N> — целое число. Данное число N> по команде с выхода элемента И вЂ” НЕ 27, поступающий на управляющей вход блока 28 интерфейса, заносится через блок 28 интерфейса в вычислитель 29, Следует отметить, что значение задержки элемента 25 выбирается с учетом суммарного времени срабатывания

5 триггеров 23 и 24 и задержки элемента И вЂ” НЕ

27, а также для компенсации разности задержек измерительного и опорного каналов.

На точность определения целого числа периодов сдвига фазы в четырехполюснике

10 влияют следующие факторы: конечная длительность фронтов радиоимпульсных сигналов, разное значение коэффициентов передачи усилителей 17 и 19 и разные пороги срабатывания формирователей 18 и 20,, 15 случайное значение начальной фазы сигнала СВЧ-генератора 1, аддитивная шумовая помеха.

Для того, чтобы исключить влияние данных факторов на точность измерения, после

20 занесения числа N > в память вычислителя 29 она выдает через блок 28 интерфейса и блок

13 управления команду на измерение состояния первого 3 и второго 21 коммутаторов.

По данной команде выход измерительного

25 канала подключается к входу усилителя 17, выход формирователя 18 к S-входу RS-триггера 24, а выход опорного канала соответственно подается через усилитель 19 и формирователь 20 íà S-вход триггера 23.

30 После чего повторяется процедура определения числа Й2 (фиг. 2о — т) и в вычислителе происходит подсчет истинного значения по следующей формуле:

N1+Nz

О 2 справедливость данного выражения иллюстрируется временными диаграммами (фиг, 2).

40 Одновременно с началом каждого счета целого числа сдвига фазы N1 вычислитель 29 формирует команду на счет сдвига фазы в интервале 0-360 (Л V ) который производится за время счета числа N> следующим

45 образом. Опорный сигнал с выхода канала связи направленного ответвителя 5 поступает на вход моста 7, где он делится по мощности пополам. С выходов моста 7 два сигнала сдвинутые по фазе на 90 один от50 носительно другого поступают на соответствующие входы мостов 9 и 8. Один вход первого 7 и один вход третьего 9 мостов нагружены на согласованные нагрузки 11 и

12. Опорный сигнал, пройдя через третий

55 мост 9, также делится по мощности пополам, и сигнал, пропорциональный опорному

Сигналу, поступает на один из четырех входов третьего коммутатора 22, второй сигнал с выхода третьего моста 9 и сдвинутый отно1675799

p=- T(N 1)+ hp, сительно первого по фазе на 90 поступает на вход четвертого моста 10. С выхода канала связи направленного ответвителя 6 измерительный сигнал поступает на вход второго моста 8 и, пройдя через него, образует с опорным сигналом на соответствующем входе третьего коммутатора 22 разностный сигнал, а на соответствующем входе четвертого моста 10 суммарный сигнал. С выходов четвертого моста 10 на остальные два входа третьего коммутатора 22 поступают суммарно-разностные сигналы опорного и измерительного каналов. Для уменьшения погрешности измерения фазы в пределах от 0 — 360 вместо четырех измерителей мощности используется один, к входу которого по командам блока управления третий коммутатор 22 производит последовательное подключение выходныу сигналов мостов 8 — 10. Выходные сигналы с выхода измерителя 14 мощности поступают через блок 28 интерфейса в вычислитель 29, где подсчитывается значение фазы по следующим соотношениям: .1

8

Дополнительно. следует указать. что если Лp лежит вблизи 0 или 360О, то возможно возникновение дополнительной ошибки в определении целого числа периодов, Для того, чтобы исключить данную погрешность при Л(р = 360 о- n+ 45О, где n = 0,1„„ вычислитель 29 подает команду через блок

13 управления на дискретный фазовращатель 4, который увеличивает сдвиг фазы в опорном канале на 180, Переключение фазовращателя производится в интервале между пачками импульсов, после чего повторяется процесс измерения N1 (фиг. 2и — н), значение

N1, полученное при первом положении фазовращателя, отбрасывается, а измерение производится с учетом значения фазы фаэовращателя, Для снижения погрешности измерения производится и (и = 10-20) циклов, результаты измерений статистически обрабатыва-, ются в ЭВМ, где определяется истинное значение сдвига фазы в четырехполюснике: (Ь)1 (Ь)в (Ь)г! а( (11 о12 о13 о14

d21 d22 о23 о24

d31 d32 d33 d34

d41 d42 .d43 d44

Р1

Р2

Р3

Р4!

2 (!Э)И

p = arctg ! а! (-) а д. г 1о31 + Р2(32 + Рзо33 + P4d34

P1d21 + F 2d22 + "3d23 + Р4о24 где а — комплексная амплитуда опорного сигнала на выходе направленного ответвителя 5;

Ь вЂ” комплексная амплитуда измеряемого сигнала на выходе направленного ответвителя 6;

Р1 — Р4 — мощность сигнала, измеренная измерителем 14 мощности, на первом — четвертом входах коммутатора 22 соответственно.

Элементы матрицы d11, ..., d44 находятся при калибровке перед началом измерений путем исключения из тракта измеряемого четырехполюсника.

55 где Т вЂ” период колебаний генератора 1, Формула изобретения

Устройство для измерения сдвига фаэ в четырехполюснике, содержащее СВЧ-генератор, делитель мощности, первый коммутатор, дискретный фазовращатель, первый и второй направленные ответвители, первый, второй, третий и четвертый мосты, первую и вторую нагрузки, блок управления, измеритель мощности, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности при расширении функциональных возможностей, в него введены импульсный генератор, им пульс н ый модул ятор, посл едовател ьно соединенные первый усилитель и первый формирователь импульсов, последовательно соединенные второй усилитель и второй формирователь импульсов, второй и третий коммутаторы, два RS-триггера, элемент задержки, счетчик, элемент И вЂ” НЕ, блок интерфейса и вычислитель, причем выход

СВЧ-генератора через импульсный модулятор соединен с входом делителя мощности, один из выходов которого через последовательно соединенные дискретный фаэовра.щатель и первый направленный ответвитель связан с одним иэ входов первого коммутатора, другой вход которого через последовательно соединенные еТ0роА направленный ответвитель и измеряемый четырехполюсник соединен с другим входом делителя мощности, выходы первого коммутатора подключены к входам соответ1675799

10 ствующих усилителей, а выходы формирователей импульсов соединены с соответствующими входами второго коммутатора, подключенного выходами к $-входам соответствующих RS-триггеров, выходы которых 5 соединены с входами элемента И вЂ” НЕ, подключенного выходом к входу запрета счетчика и управляющему входу блока интерфейса, выход сброса которого соединен с R-входами каждого триггера и счетчи- 10 ка, счетный вход которого через элемент задержки связан с одним из выходов второго коммутатора, выходы каналов связи первого и второго направленных ответвителей подключены соответственно к одним из вхо- 15 дов первого и второго мостов, выходы первого моста соответственно соединены с одним из входов третьего моста и другим входом второго моста, другие входы первого и третьего мостов подключены к соответ- 20 ствующим нагрузкам, один иэ выходов второго и третьего мостов соединены с соответствующими входами четвертого моста, а их другие выходы и выходы четвертого моста связаны соответственно с входами третьего коммутатора, подключенного выходом к входу измерителя мощности, выход которого соединен с одним из информационных входов блока интерфейса, другой информационный вход которого подключен к выходу счетчика, управляющие входы дискретного фазовращателя, измерителя мощности и третьего коммутатора связаны с соответствующими выходами блока управления, управляющие входы первого и второ-. го коммутаторов соединены между собой и подключены к соответствующему выходу блока управления, вход которого соединен с выходом блока интерфейса, подключенного входом-выходом к вычислителю, а выход импульсного генератора соединен с управляющим входом импульсного модулятора.

1675799 а бьсх

СВ9 сен г Вьсх кг д Выл

9СВ

3 8ых СЧ

A.-,г

4l есыл 9C

K Bux

УС 39 н ВьиСМ а =4 Т фи Ра

О Выл

ЧС 49

n Вых

9C rr

- ) ППППППП

Фиг, c

Составитель Н.Михалев

Редактор Н.Бобкова Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор В.Гирняк

Заказ 2999 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, yn,Гагарина, 101

Гс йых.

ИИП сЕс

8 Оьсх, Ии» но

Е Вьсх

9 и в

>с Вьсх риг

Л бых

<ри св и в,. фи го

Р аык виго с В» фи rs

hhhnnhiihh

Iihhiihhhiihiiiiii

ПППП ПЬцП ПП.

1ИЫП.йЛ