УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ РАЗНОСТИ ФАЗ СВЧ-СИГНАЛОВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК G01S1/32 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности для измерения разности фаз СВЧ-сигналов, и может найти применение как в стационарных измерительных установках, так и в бортовых измерительных комплексах различного назначения, например в радиолокационных измерителях дистанций.

Известно устройство для измерения разности фаз СВЧ-сигналов, содержащее генератор, выходную цепь, входную цепь, указатель разности фаз [1, с. 319].

Наиболее близким к изобретению является известное устройство для изменения разности фаз СВЧ-сигналов [1, с. 318], содержащее СВЧ-генератор и выходную цепь, входную цепь, первый и второй смесители, первый и второй фильтры и указатель разности фаз, генератор гетеродинного сигнала, схему автоподстройки частоты. При изменениях разности фаз СВЧ-сигналов значительную величину погрешности составляют ошибки из-за взаимных наводок и несовершенства импульсных устройств с высокой частотой следования импульсов, заполняющих временные интервалы. Поэтому для повышения точности измерения в нем используется понижение величин частот обрабатываемых сигналов. Однако это понижение величины частот не может быть настолько значительным, чтобы максимизировать точность измерения.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение точности измерения разности фаз СВЧ-сигналов. Достижение технической задачи, решаемой изобретением, для первого варианта достигается тем, что в устройстве определенным образом оптимизируются величины частот, на которых производятся измерения, и в СВЧ-тракте измерителя разности фаз СВЧ-сигналов происходит смещение частоты фазовращателем, и СВЧ-сигнал имеет модуляцию в виде частотной манипуляции. В устройство измерения разности фаз СВЧ-сигналов, содержащее входную цепь, СВЧ-генератор, выходную цепь, смеситель, первый и второй фильтры, указатель разности фаз, дополнительно введены генератор периода модуляции СВЧ-сигнала, модулятор, фазовращатель, формирователь управляющего сигнала, генератор управляющего сигнала, временной коммутатор, генератор периода модуляции СВЧ-сигнала, последовательно соединенный с модулятором, выходная цепь которого подключена к управляющему входу СВЧ-генератора, а управляющий вход фазовращателя соединен с входной цепью, а его выход-с первым входом смесителя, временной коммутатор, первый вход которого подключен к выходу генератора периода модуляции СВЧ-сигнала, а второй вход подключен к выходу смесителя, а выходы временного коммутатора - соответственно к входам первого и второго фильтров, выходы фильтров подсоединены к входам указателя, генератор управляющего сигнала последовательно соединен с формирователем управляющего сигнала, выход которого подсоединен к управляющему входу фазовращателя, причем второй вход смесителя подключен к выходу СВЧ-сигнала.

Достижение технической задачи, решаемой изобретением, для второго варианта достигается тем, что в устройстве определенным образом оптимизируется величины частот, на которых производятся измерения, и в СВЧ-тракте измерителя разности фаз СВЧ-сигналов происходит смещение частоты фазовращателем, и СВЧ-сигнал имеет модуляцию в виде частотной манипуляции. В устройстве измерения разности фаз СВЧ-сигналов, содержащее входную цепь, СВЧ-генератор, выходную цепь, смеситель, первый и второй фильтры, указатель разности фаз, дополнительно введены генератор периода модуляции СВЧ-сигнала, модулятор, фазовращатель, формирователь управляющего сигнала, временной коммутатор, генератор периода модуляции СВЧ-сигнала, последовательно соединенный с модулятором, выходная цепь которого подключена к управляющему входу СВЧ-генератора, а управляющий вход фазовращателя соединен с выходом СВЧ-генератора, а его выход- с входом выходной цепи, временной коммутатор, первый вход которого подключен к выходу генератора периода модуляции СВЧ-сигнала, а второй вход подключен к выходу смесителя, а выходы временного коммутатора - соответственно к входам первого и второго фильтров, выходы фильтров подсоединены к входам указателя, генератор управляющего сигнала последовательно соединен с формирователем управляющего сигнала, выход которого подсоединен к управляющему входу фазовращателя, причем второй вход смесителя подключен к выходу СВЧ-сигнала.

Указанные первый и второй варианты устройства для измерения разности фаз СВЧ-сигналов охвачены единым изобретательским замыслом, поскольку относятся к объектам одного вида, одинакового назначения и обеспечивают получение одного и того же результата одинаковым путем, заключающимся в том, что используется частотная манипуляция и что создание величины частоты, на которой происходит измерение разности фаз, в обоих вариантах достигается вращением фазы.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства измерения разности фаз СВЧ-сигналов для первого варианта. На фиг.2 представлена блок-схема устройства измерения разности фаз СВЧ-сигналов для второго варианта. На фиг. 3 приведена блок-схема наиболее близкого аналога (прототипа). На фиг. 4, 5 представлены эпюры напряжений на выходах отдельных блоков, поясняющие работу устройства, где а) - эпюра напряжения на управляющем входе СВЧ-генератора 8, б) - график частоты на выходе блока 10 для первого варианта, в) - график частоты на выходе блока 10 для второго варианта, г) - эпюра напряжения на выходе смесителя 7, д), е) - эпюры напряжений на выходах временного коммутатора 9 Δϕ - разность фаз двух СВЧ-сигналов после прохождения среды), ж) - график изменения фазы на выходе блока для аналогового фазовращателя, з) - график изменения фазы на выходе блока 3 для дискретного фазовращателя.

Устройство для измерения разности фаз СВЧ-сигналов для первого (фиг.1) и второго (фиг.2) вариантов содержит: 1 - входная цепь, 2 - генератор периода модуляции СВЧ-сигнала, 3 - фазовращатель, 4 - формирователь управляющего сигнала, 5 - генератор управляющего сигнала, 6 - модулятор, 7 - смеситель, 8 - СВЧ-генератор, 9 - временной коммутатор, 10 - выходная цепь, 11 - первый фильтр, 12 - второй фильтр, 13 - указатель. Причем для первого варианта генератор периода модуляции СВЧ-сигнала 2, модулятор 6, СВЧ-генератор 8, выходная цепь 10 соединены последовательно. Входная цепь 1, фазовращатель 3, смеситель 7, временной коммутатор 9, первый фильтр 11, указатель 13 включены также последовательно. Второй фильтр 12 включен между вторым выходом временного коммутатора 9 и вторым входом указателя 13, а к управляющему входу фазовращателя 3 подсоединены последовательно включенные формирователь 4 управляющего сигнала и генератор 5 управляющего сигнала. Причем выход генератора 2 периода модуляции СВЧ-сигнала соединен с первым входом временного коммутатора 9, а выход СВЧ-генератора 8 соединен с вторым входом смесителя 7. Причем для второго варианта генератор 2 периода модуляции СВЧ-сигнала, модулятор 6, СВЧ-генератор 8, фазовращатель 3, выходная цепь 10 соединены последовательно. Входная цепь 1, смеситель 7, временной коммутатор 9, первый фильтр 11, указатель 13 включены также последовательно. Второй фильтр 12 включены между вторым выходом временного коммутатора 9 и вторым входом указателя 13, а к управляющему входу фазовращателя 3 подсоединены последовательно включенные формирователь 4 управляющего сигнала и генератор 5 управляющего сигнала. Причем выход генератора 2 периода модуляции СВЧ-сигнала соединен с первым входом временного коммутатора 9, а выход СВЧ-генератора 8 соединен с вторым входом смесителя 7.

В конкретных вариантах реализации устройства для измерения разности фаз СВЧ-сигналов его отдельные структурные элементы могут быть выполнены следующим образом, причем одинаковым для первого и второго вариантов. Входная цепь 1 может содержать приемную антенну, в том числе в интегральном исполнении, или приемное устройство из согласующих СВЧ-узлов. Генератор 2 периода модуляции СВЧ-сигнала может состоять из кварцованного генератора прямоугольных импульсов и выдает сигналы, поступающие в модулятор 6 и на вход временного коммутатора 9 для управления его ключами для разделения сигналов. Фазовращатель 3 может содержать либо аналоговый СВЧ-фазовращатель, либо дискретный СВЧ-фазовращатель, соответственно для него формируются формирователем 4 управляющего сигнала либо аналоговые сигналы управления, либо дискретные импульсные. Генератор 5 управляющего сигнала может представлять собой задающий импульсный генератор низкой частоты, имеющий частоту следования импульсов либо несколько килогерц в случае аналогового фазовращателя, либо несколько десятков килогерц в случае дискретного фазовращателя. Модулятор 6 может состоять из усилителя, вырабатывающего сигналы с параметрами, необходимыми для модуляции СВЧ-генератора 8. Смеситель 7 может состоять из СВЧ-детекторной секции. СВЧ-генератор 8 может представлять собой твердотельный генератор на основе либо диода Ганна, либо транзистора, либо лавинно-пролетного диода с электронной перестройкой варактором. Временной коммутатор 9 может состоять из ключей, управляемых импульсными сигналами. Выходная цепь 10 может содержать передающую антенну, в том числе в интегральном исполнении, или приемной устройство, состоящее из согласующих СВЧ-узлов. Первый и второй фильтры 11 и 12 могут состоять из полосовых фильтров с центральной частотой настройки, равной частотному сдвигу сигнала фазовращателем. Указатель 13 может представлять собой индикаторное устройство с преобразователем разности фаз выходных сигналов фильтров 11, 12 в цифровой код или аналоговый сигнал.

Устройство для измерения разности фаз СВЧ-сигналов по первому варианту работает следующим образом. СВЧ-генератор 8 генерируется попеременно напряжения двух частот f₁ или f₂ (фиг.2б). Для этого на его модуляционный вход с выхода модулятора 6 подается прямоугольное напряжение величиной U_м1 или U_м2 (фиг. 2а), причем это напряжение формируется из выходного сигнала генератора периода модуляции СВЧ-сигнала 2. Выходной сигнал генератора СВЧ, пройдя выходную цепь 10, проходит в среду распространения. После прохождения среды распространения генерируемые СВЧ-напряжения приобретают сдвиги фаз, разность которых пропорциональна пройденному сигналами расстоянию. Далее сигнал принимается входной цепью 1. Измерять эту разность фаз возможно после понижения частот принятых сигналов. Для этой цели в предлагаемом устройстве создается сдвиг частоты принятого сигнала в фазовращателе 3 и осуществляется смещение сигнала, смещенного по частоте с частью излученного. Причем фазовращатель управляется формирователем 4 управляющего сигнала, на вход которого поступает сигнал генератора 3 управляющего сигнала. После смесителя 7, при этом, образуется сигнал U_см вида, приведенного на эпюре (фиг.2г). Этот сигнал представляет собой сумму двух напряжений U_1Ф (фиг.2д), U_2Ф (фиг.2е), каждое из которых получилось после преобразований напряжений частот f₁, f₂ соответственно. Разделение сигнала U_см на U_1ф и U_2a производится временным коммутатором 9, который управляется выходным сигналом генератора 2 периода модуляции СВЧ-сигнала. Поэтому после фильтрации напряжений U_1ф, U_2ф полосовыми фильтрами (первый фильтр 11 и второй фильтр 12) выделяются два сигнала низкой частоты (частоты сдвига), разность фаз которых измеряется в указателе 13. Для того, чтобы низкочастотные сигналы были узкополосными, непрерывный фазовращатель изменяет фазу по закону, близкому к пилообразному или пилообразно-ступенчатому (фиг.2ж, 2з). Причем размах изменения фазы должен обеспечить отсутствие разрывов в сигнале.

Устройство для измерения разности фаз СВЧ-сигналов по второму варианту работает следующим образом. СВЧ-генератор 8 генерирует попеременно напряжения двух частот f₁ или f₂ (фиг.2в). Для этого на его модуляционный вход с выхода модулятора 6 подается прямоугольное напряжение величиной U_м1 или U_м2 (фиг. 2а), причем это напряжение формируется из выходного сигнала генератора 2 периода модуляции СВЧ-сигнала. Выходной сигнал генератора СВЧ, пройдя фазовращатель 3 и выходную цепь 10, проходит в среду распространения. Причем фазовращатель управляется формирователем 4 управляющего сигнала, на вход которого поступает сигнал генератора 5 управляющего сигнала. После прохождения среды распространения генерируемые СВЧ-напряжения приобретают сдвиги фаз, разность которых пропорциональна пройденному сигналами расстоянию. Далее сигнал принимает входной цепью 1. Измерять эту разность фаз возможно после понижения частот принятых сигналов. Для этой цели в предлагаемом устройстве осуществляется смещение сигнала, смещенного по частоте в фазовращателе 3, с частью генерируемого СВЧ-генератором 8 сигнала. После смесителя 7, при этом, образуется сигнал U_см вида, приведенного на эпюре (фиг.2г). Этот сигнал представляет собой сумму двух напряжений U_1ф (фиг.2д), U_2ф (фиг.2е), каждое из которых получилось после преобразований напряжений частот f₁, f₂ соответственно. Разделение сигнала U_см на U_1ф и U_2ф производится временным коммутатором 9, который управляется выходным сигналом генератора 2 периода модуляции СВЧ-сигнала. Поэтому после фильтрации напряжений U_1ф, U_2ф полосовыми фильтрами (первый фильтр 11 и второй фильтр 12) выделяются два сигнала низкой частоты (частоты сдвига), разность фаз которых измеряется в указателе 13. Для того, чтобы низкочастотные сигналы были узкополосными, непрерывный фазовращатель изменяет фазу ϕ по закону, близкому к пилообразному или пилообразно-ступенчатому (фиг.2ж, 2з). Причем размах изменения фазы должен обеспечить отсутствие разрывов в сигнале. В предлагаемом устройстве используется частотная манипуляция и разделение обрабатываемого сигнала на два, соответствующих двум частотам манипуляции. Основным преимуществом такого метода является возможность выделить набег фазы, полученный только за счет протяженности пути распространения сверхвысокочастотного сигнала, и повышает точность измерений при случайном характере изменения длительности пути распространения сигнала. Сигнал с частотной манипуляцией, используемый в схеме, позволяет производить измерения на основании следующих соотношений. При частотной манипуляции излучение с частотной модуляции F_m осуществляется поочередно в виде двух сигналов, частоты которых f₁ и f₂ отличаются от центральной частоты f₀ на величину девиаций Δf:f₁= f_o-Δf, f₂= f_o+Δf. . Сигналы после смесителя 7 в соседних полупериодах модуляции, соответствующие частотам f₁ и f₂, выражаются формулами:

где
f_ф - частотный сдвиг после фазовращателя, τ_з - временная задержка, определяемая расстоянием, проходимым СВЧ-сигналом в среде, E_пр - амплитуда сигнала, t - текущее время. В предлагаемом измерителе разности фаз измеряется разность фаз сигналов ε_пр1, ε_пр2 .

Достоинством предложенного измерителя разности фаз является повышенная точность измерения в СВЧ-диапазоне по сравнению с аналогами, так как оптимизируется величина частоты, на которой происходит измерение, осуществляется смещение частоты и используется частотная манипуляция.

Использование: измерение разности фаз сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов. Сущность изобретения: измеритель содержит входную цепь, генератор периода модуляции СВЧ-сигнала, фазовращатель, формирователь управляющего сигнала, генератор управляющего сигнала, модулятор, смеситель, СВЧ-генератор, временной коммутатор, выходную цепь, первый фильтр, второй фильтр, указатель. 2 с.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство измерения разности фаз СВЧ-сигналов, содержащее последовательно включенные СВЧ-генератор и выходную цепь, входную цепь, смеситель, первый и второй фильтры, выходы которых подключены к соответствующим входам указателя, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит последовательно соединенные генератор периода модуляции СВЧ-сигнала и модулятор, выходная цепь которого подключена к управляющему входу СВЧ-генератора, фазовращатель, информационный вход которого соединен с выходом входной цепи, а выход - с первым входом смесителя, временной коммутатор, первый вход которого подключен к выходу генератора периода модуляции СВЧ-сигнала, а второй вход подключен к выходу смесителя, а выходы - соответственно к входам первого и второго фильтров, и последовательно соединенные генератор управляющего сигнала и формирователь управляющего сигнала, выход которого подсоединен к управляющему входу фазовращателя, причем второй вход смесителя подключен к выходу СВЧ-генератора. 2. Устройство измерения разности фаз СВЧ-сигналов, содержащее последовательно включенные СВЧ-генератор и выходную цепь, входную цепь, смеситель, первый и второй фильтры, выходы которых подключены к соответствующим входам указателя, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит последовательно соединенные генератор периода модуляции СВЧ-сигнала и модулятор, выходная цепь которого подключена к управляющему входу СВЧ-генератора, фазовращатель, причем СВЧ-генератор через фазовращатель подключен к входу выходной цепи, временной коммутатор, первый вход которого подключен к выходу генератора периода модуляции СВЧ-сигнала, а второй вход подключен к выходу смесителя, а выходы - соответственно к входам первого и второго фильтров, и последовательно соединенные генератор управляющего сигнала и формирователь управляющего сигнала, выход которого подсоединен к управляющему входу фазовращателя, причем второй вход смесителя подключен к выходу СВЧ-генератора.