Способ измерения фазовых сдвигов

 

Изобретение может быть использовано для измерения фазовых характеристик радиосигналов и исследования фазовых характеристик многополюсникрв. Цель - повышение разрешающей способности и ослабление требований к подавлению паразитных компонент спектра преобразованных сигналов. Способ включает однополосную модуляцию модулирующими напряжениями неодинаковых частот входных сигналов, преобразование промодулированных сигналов на постоянную промежуточную частоту второй и более высокой четной степени n-й частоты в двух каналах, причем во втором канале з один из преобразуемых сигналов вводят дополнительный фазовый сдвиг Ду 360/п, формируют разностный сигнал из преобразованных сигналов первого и второго каналов, который сравнивают по фазе с опорным, сформированным преобразованием модулирующих напряжений неодинаковых частот, при этом измеряют грубое и точное значения фазового сдвига соответственно при выполнении преобразований второй и более высокой четной степени частоты сигнала, а величину фазового сднига определяют сопоставлением грубого и точного значений фазового сдвига. Цель достигается путем компенсации в результате указанных операций паразитных компонент и уточнения результата, 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ сОциАлйстических

РЕСПУБЛИК (ю()я G 01 R 25/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ц.6

В ! ;с,;РЯ

К АВТ0РСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4663737/21 (22) 16.03,89

{46) 15.09,91. Бюл, ¹ 34 (75) Л.Д.Огороднийчук (53) 621.317.77 (088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1241162, кл, G 01 R 29/10, 1984.

Огороднийчук Л.Д. СВЧ фаэометр с двумя фазовыми модуляторами, Извастия вузов СССР, Радиоэлектроника, 1968, № 4, с. 370-373. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВЫХ

СДВИГОВ (57) Изобретение может быть использовано для измерения фазовых характеристик радиосигналов и исследования фазовых характеристик многополюсникрв, Цель— повышение разрешающей способности и ослабление требований к подавлению паразитных компонент спектра преобразованных сигналов. Способ включает однополосную модуляцию модулирующими

Изобретение относится к радиотехнике и измерительной технике и может быть использовано в радиосистемах для измерения фазовых характеристик радиосигналов, а также для исследования фазовых характеристик многополюсников различного назначения.

Цель изобретения — повышение разрешающей способности и точности.

На чертеже приведена структурíая схема измерителя, реализующего способ измерения фазовых сдвигов.

Устройство содержит однополосные модуляторы (OMP) 1 и 2, разветвитель 3, фаэовнапряжениями неоди !акозь!х частот входных сигналов, преобразование промодулированных cvi! íàëoâ на постоянную промежуточную частоту второй и более высокой четной степени и-й частоты в двух каналах, причем во втором канале в один из преобразуемых сигналов вводят дополнительный фазовый сдвиг Лр = 360/и, формируют разностный сигнал из преобразованных сигналов первого и второго каналов, который сравнивают по фазе с опорным, сформированным преобразованием модулирующих напряжений неодинаковых частот, при этом измеря!от грубое и точное значения фазового сдвига соответственно при выполнении преобразований второй и более высокой четной степени частоты сигнала, а величину фазового сд!!и а определяют сопоставлением грубого и точного значений фазового сдвига, Цель достигается путем компенсации в результате указанных операций паразитных компонент и уточнения результата, 1 ил. ращатель 4, разветвитель 5, модулирующий О генератор 6, формирователь 7 опорного на- . (Л пряжения, модулирующий генератор 8, преобразователь 9 частоты (ПРЧ), индикатор 10, преобразователь 11 частоты и вычитатель 12.

Выход однополосного модулятора 1 через разветвитель 3 соединен со входами фазовращателя 4 и одним входом преобразователя 9 частоты, второй вход которого соединен с выходом разветвителя 5, другой выход которого соединен с одним входом преобразователя 11 частоты, а вход — с выходом однополосного модулятора 2. Второй вход преобразователя,1 !астоты соеди1677657 (1) (2) е1= Е1соз(et+ (,()), ez = Eicos в t с амплитудами Е1 и Ег и измеряемым фазо- 25 вым сдвигом р подвергают однополосной модуляции в ОМР 1 и 2 модулирующими напряжениями неодинаковых частот Е1 и

Е2, которые поступают из модулирующих генераторов 6 и 8. На выходах модуляторов 30 получают сигналы, состоящие из полезной смещенной компоненты и по крайней мере двух наибольших по уровням паразитных компонент — остатка несущей и зеркальной боковой. Уровни перечисленных компонент 35 обозначим через коэффициенты фпДД в канале OMP 1 и y„yн и у, в канале OMP

2, где индексы означают соответственно принадлежность к полезной боковой; несущей и зеркальной боковой компонентам 40 сигналов.

Модулированные сигналы разветвляют с помощью разветвителей 3 и 5 и подают на

ПРЧ 9 и 11 соответственно. Причем, из разветвителя 3 на ПРЧ 11 сигнал поступает 45 через фазовращатель 4, который вносит дополнительный фазовый сдвиг О, 50

55 нен с выходом фазовращателя 4. Первые входы однополосных модуляторов 1 и 2 соединены с клеммами входных сигналов, Второй вход модулятора 1 соединен с выходом модулирующего генератора 6, другой выход которого соединен со входом формирователя 7 опорного напряжения, другой вход которого соединен с выходом модулирующего генератора 8, второй выход которого соединен со вторым входом однополосного модулятора 2. Выходы преобразователей 9 и 11 частоты через вычитатель 12 соединены с одним вхрдом индикатора 10, другой вход которого соединен с выходом формирователя 7 опорного напряжения.

Способ измерения фазовых сдвигов между двумя сигналами на высоких или сверхвысоких частотах состоит в следующем, Сравниваемые сигналы

В ПРЧ 9 и 11 осуществляют операции преобразования частоты сигналов в ПЧ измерительного напряжения, которое в аргументе содержит информацию о фазовом сдвиге. Одной из особенностей способа является то, что осуществляют преобразование частоты четной степени, например, большой четной степени. Степень преобразования определяется степенью полинома, с. помощью которого может быть описана характеристика ПРЧ. Следовательно, может быть обеспечено преобразование:

20 второй степени, ПЧ Ги = Е1(+)Рг; (3) четвертой степени, ПЧ Flv = 2(F)(+)Fg); (4) шестой степени, ПЧ Fvi = 3(F1(+)Fz; (5) восьмой степени, ПЧ Fv(ll = 4(Г1(+)Рг) (6) и т.д, где знак в ПЧ зависит от направления смещения частоты сигналов, Обычно при преобразовании частоты используют преобразование второй степени, приводящее к линейному преобразованию сигналов. Однако можно показать, что и при использовании преобразования частоты более высокой четной степени сохраняется линейность преобразования фазовых сдвигов.

Преобразования частоты могут быть реализованы каждое с помощью отдельного

ПРЧ или в одном ПРЧ. В первом случае обеспечивается более высокая точность измерений, так как более высокие степени преобразования не вносят отрицательного вклада в результат более низких степеней преобразования. Поэтому ему следует отдавать предпочтение.

В качестве ПЧ используют гармоники (компоненты) соответствующих измерительных напряжений комбинационных частот (3), (4) и т.д., номер которых в два раза меньше используемой степени преобразования. Напряжение ПЧ непосредственно или через вычитатель 12 поступает в индикатор 10, где обеспечивается измерение фазового сдвига.

Опорное напряжение требуемой комбинационной ПЧ формируют в формирователе

7 иэ модулирующих напряжений генераторов 6 и 8. По отношению к нему в индикаторе 10 измеряют фазовый сдвиг.

Измерительные напряжения ПЧ на выходе преобразователя 9 при описании характеристики ПРЧ уравнением второй, четвертой и т.д. степени имеют вид

U1 = K1E IE2 PnKп (cos I (Ql — A) t + tP) +

+ cos 0> — Q t — p: (7)

Us = KtEt Es ),)4 (cos (2 A—

2 — 2©)t+2p

П П сов((2 Р 2И) t 2)c) +

+ Ks — -cos (2 Р— 2 )2) t):.... (8)

Рп "гп где г1, К2, Кз„. — постоянные коэффициенты.

1677657

Дальнейший анализ проводится с учетом следующих выполняющихся на практике положений.

1. При различных четных степенях преобразования и выборе оговоренных ПЧ сохраняется линейность преобразования фазового сдвига и рост разрешающей способности по фазе. Это позволяет при дальнейшем конкретном анализе ограничиться рассмотрением преобразований второй и четвертой степеней, 2. Структура ПЧ выбрана из соображений минимального количества компонент в напряжениях (7), (8) и т.д., в том числе и па разитн ых компонент. Это обеспечивает максимально возможную точность измерений при относительно простой реализации.

Одним из режимов измерений является использование преобразования частоты четвертой степени, а в качестве ПЧ использование второй гармоники GOOTBBTGTBóþùèõ напряжений комбинационных частот (4).

Этому режиму соответствует измерительное напряжение (8). Из его анализа следует, что разрешающая способность по фазе увеличилась в два раза. Однако цикл изменения фазы уменьшился в два раза, что является недостатком. Этот недостаток можно исключить путем измерения фазовых сдвигов также с помощью напряжения (7), обусловленного квадратичным членом характеристики ПРЧ, В измерительном напряжении (8) первый член является полезным, а второй и третий — паразитными, приводящими к погрешности измерений. Значения.погрешностей определяются по формулам p1 = (p3 y3 j4 yn ) >«ð, (9)

Лр2 =(K3рзy3 pnуп) яin2р, (10)

Вторая погрешность по максимальному значению превосходит первую. Целесообразно ее влияние свести к минимуму.

С этой целью преобразование частоты выполняют балансным, для чего используют

ПРЧ 11, сигналы на который поступают с разветвителя 3 через фазовращатель 4 и с разветвителя 5. Если фазовращатель 4 обеспечивает фазовый сдвиг О= 90, то на выходе ПРЧ 11,характеристика которого описывается уравнением четвертой степени, получим измерительное напряжение ПЧ

Ut = квевег/),pc { сов ((2 въ — 2 во) t +

+2 У+1800 +à — Š— х

:,сов ((2 Qt — 2 во) t — 2 rp — 180о1 +

Кв - в сов (2 Г21 — 2 И) t). (11)

Рп п)

Напряжения (8) и (11) поступают на вычитатель 12, в качестве которого может использоваться дифференциальный усилитель. На выходе вычитателя 12 получают измерительное напряжение

Uru — 02 0 = 2К2Е Е /Зй yn"

„{cos ((201 — 2 въ)1+2 1о) +

+ @ — cos (2 Q — 2 Я} t — 2 p ) которое не содержит паразитной компоненты, обусловившей погрешность (10). Таким образом, обеспечивается повышение точности измерений.

Для оценки неисклк)ченной составляющей погрешности (9) предположим что

Рз )3 Pn yn " . максимальное з начение погрешности (9) не превышает О,б, 0,1 и 0,01О, если относительный уровень зеркальной компоненты не превышает соответственно -10 дБ, -14 дБ и -19 дБ, Эти требования к зеркальной компоненте даже для очень малой погрешности выполнить легко, Далее, поскольку погрешность не зависит от остатка несущей компоненты, то требования к ее подавлению не предьявляются. Это дополнительно упрощает реализацию модуляторов.

Из сравнения напряжения (7),по которому в прототипе обеспечивают измерения, а

40 в предложенном способе формируют обзорную шкалу, и напряжения (12), обеспечивающего точные измерения, следует, что точность измерений по данной составляющей погрешности повышается в

50 раз и при =) = 0,1 = 20 дБ составляет и

100 раз.

При измерении фазового сдвига погрешность (9) максимальна при p= (2n+

+ 1)22,5О, где n = 0,1,2...,при измерении уровней сигналов аналогичная погрешность максимальна при p = 2(п + 1)22,5О, этим фазовым сдвигам соответствует максимальный и минимальный уровень измерительного напряжения (12), 1677657

Недостатком измерений при использовании измерительных напряжений (8), (11), (12) и других, полученных при использовании преобразования более высоких четных степеней, является сужение зоны однозначности в коэффициент раз, равный половине степени преобразования, Для обеспечения однозначного измерения фазового сдвига в пределах полного цикла 0.„360 при сохранении высокой разрешающей способности и повышенной точности осуществляют одновременное преобразование частоты второй, четвертой и т,д. степеней, а индикацию фазового сдвига осуществляют одновременно по измерительным напряжениям (7) и (8) или (12) и т,д. промежуточных частот, равных комбинации модулирующих частот (3), второй ее гармоники (4) или (и) третьей гармоники (5) и т,д.

При реализации этого способа высокая точность измерений и одновременно высокая разрешающая способность обеспечиваются измерительным напряжением более высокой ПЧ, например, (8), а однозначное измерение в пределах полного цикла — измерительным напряжением наименьшей промежуточной частоты (7). Для реализации этих преимуществ достаточно иметь два измерительных напряжения — наименьшей

ПЧ (7) и большей ПЧ, напряжение которой обеспечит требуемые характеристики измерений по разрешающей способности и требованиям к OMP. Использование преобразования частоты (7), (12) приводит к ,существенному выигрышу (13) . Как отмечалось, все измеритеRьные напряжения можно получить путем использования такого же числа ПРЧ с соответствующими преобразовательными характеристиками, или использования одного ПРЧ с преобразовательной характеристикой, содержащей члены необходимых четных степеней. В случае использования балансного преобразования частоты в, один из сигналов после разветвления cne, óåò ввести дополнительные фиксированные фазовые сдвиги, Способ обеспечивает повышение разрешающей способности и ослабление тре5 бований к модуляторам и другим узлам, определяющим развязку между каналами.

Возможность реализации высоких динамических характеристик и использования в различных диапазонах частот характеризу10 ет существенность научно-технического и экономического эффектов предложенного технического решения.

Формула изобретения

15 Способ измерения фазовых сдвигов,заключающийся в том, что оба сигнала подвергают однополосной модуляции модулирующими напряжениями неодинаковых частот, преобразуют промодулиро20 ванные сигналы на постоянную промежуточную частоту и измеряют фазовый сдвиг между сигналами постоянной промежуточной частоты, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения разрешаю25 щей способности, осуществляют преобразование второй и более высокой четной степени п-й частоты полученных в результате однополосной модуляции сигналов в двух каналах, причем во втором канале в один из

30 преобразованных сигналов вводят дополнительный фазовый сдвиг Лр = 360/п,формируют. разностный сигнал иэ преобразованных сигналов первого и второго каналов, который сравнивают по фазе

35 с опорным, сформированным преобразованием модулирующих напряжений неодинаковых частот, при этом измеряют грубое и точное значения фазового сдвига соответственно, при последовательном выполнении

40 преобразований второй и более высокой четной степени частоты сигнала, а величину сдвига фаз определяют сопоставлением грубого и точного значений фазового сдвига.

1677657

Составитель М.Катанова

Техред М.Моргентал Корректор С.Шевкун

Редактор Н.Химчук

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

Заказ 3113 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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