ДВУХЗОНДОВЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВЫХ СДВИГОВ В БАЛАНСНОМ КОЛЬЦЕ Российский патент 2005 года по МПК G01R17/02 G01R25/02 

Предлагаемый способ измерения фазовых сдвигов СВЧ-сигналов в балансном кольце относится к области радиотехнических измерений и, в частности, для измерения в СВЧ-диапазоне.

Известен способ измерения фазовых сдвигов с использованием преобразователя фазы, содержащего полосковую измерительную линию с двумя зондами, размещенными на подвижной каретке. Сигналы от зондов детектируются, усиливаются и поступают на схему управления, обеспечивающую автоматическое перемещение каретки зондового устройства вдоль линии при слежении за изменением фазовых сдвигов. [Соболев Д.П., Маншева Г.Г. Информационно-справочный листок, № 780625, М., ВИМИ, 1978 г.]

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ измерения фазовых сдвигов, основанный на применении СВЧ мостовой балансной схемы с использованием измерительной линии с двумя зондами. Опорный и исследуемый сигналы через согласованные ослабители подаются на измерительную линию, а сигналы от зондов после детектирования поступают на двухканальное регистрирующее устройство. Искомый фазовый сдвиг находится по равенству сигналов от зондов при механическом перемещении каретки, при этом минимум сигнала должен находится между зондами. [Соболев Д.П., Маншева Г.Г. Методы измерения фазовых параметров СВЧ-устройств. Обзоры по электронной технике, 1980 г.].

Недостатком этих способов является малая скорость проведения измерений фазовых сдвигов.

Техническим результатом предлагаемого способа измерения фазовых сдвигов является возможность существенного увеличения скорости проведения измерений фазовых сдвигов при высокой точности.

Сущность предлагаемого способа измерения фазовых сдвигов СВЧ-сигналов в балансном кольце состоит в разделении непрерывного СВЧ-сигнала на два плеча, в одно из которых установлено измеряемое устройство и двухзондовый фазочуствительный элемент, суммировании на каждом из упомянутых зондов двух СВЧ-сигналов, один из которых несет информацию о фазе измеряемого устройства, а другой является опорным, сравнении этих сигналов и определении фазового сдвига. Новизна заявляемого двухзондового способа измерения фазовых сдвигов в балансном кольце заключается в том, что измерение фазового сдвига производится в два такта с измерением амплитуд сигналов на двух неподвижных зондах при начальном фазовом состоянии СВЧ-сигнала для первого такта и при измененном в одном из плеч балансного кольца на 180° фазовом состоянии СВЧ-сигнала во втором такте, определении амплитуды сигналов на обоих зондах с последующим вычислением фазового сдвига, внесенного измеряемым устройством, в соответствии с выражением:

где U₁₁ и U₁₂ - амплитуды сигналов от первого зонда в первом и втором тактах цикла измерения;

U₂₁ и U₂₂ - амплитуды сигналов от второго зонда в первом и втором тактах цикла измерения;

Δ =0, если (U₂₁·_{U12-U11·U22)>0 и (U21·U11-U12·U22>0}

или (U₂₁·_{U12-U11·U22)<0 и (U21·U11-U12·U22>0}

Δ =180° , если (U₂₁·_{U12-U11·U22)>0 и (U21·U11-U12·U22)<0}

или (U₂₁·_{U12-U11·U22)<0 и (U21·U11-U12·U22)<0}

γ - сдвиг фаз между зондами в фазочуствительном элементе на частоте измерения.

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства, реализующего предложенный способ измерения фазовых сдвигов.

На фиг.2 приведены эпюры напряжений на выходах зондов для одного цикла измерения.

Устройство, реализующее способ измерения фазовых сдвигов СВЧ-сигналов в балансном кольце, пример выполнения которого приведен на фиг.1, состоит из генератора 1, 3-децибельного балансного делителя 2, фазового модулятора 3, измеряемого устройства 4, первого вентиля 5, второго вентиля 6, двухзондового фазочуствительного элемента 7, первой детекторной секции 8, второй детекторной секции 9, первого аналогово-цифрового преобразователя 10, второго аналогово-цифрового преобразователя 11, устройства сопряжения 12, ПЭВМ 13.

Принцип работы устройства, реализующего предлагаемый способ измерения, состоит в следующем: непрерывный СВЧ-сигнал от генератора 1 разделяется на два плеча с равными амплитудами в 3-децибельном балансном делителе 2. Далее сигнал от одного из плеч 3-децибельного балансного делителя 2 поступает на фазовый модулятор 3 и через измеряемое устройство 4 и второй вентиль 6 на первый вход двухзондового фазочуствительного элемента. Сигнал от второго плеча (опорный сигнал) через вентиль 5 поступает на вход 2 двухзондового фазочуствительного элемента 5. Далее сигналы от двухзондового фазочуствительного элемента детектируются первой и второй детекторными секциями 8 и 9, преобразуются в цифровую форму в первом и втором аналогово-цифровых преобазователях 10 и 11 и поступают через устройство сопряжения 12 в ПЭВМ 13.

Цикл одного измерения состоит из двух тактов, отличающихся состоянием фазового модулятора 3 (0 или π ), в каждом из которых по команде от ПЭВМ 13 измеряются значения амплитуд сигналов от двух зондов двухзондового фазочуствительного элемента 7 с последующим вычислением сдвига фаз, внесенным измеряемым устройством, по предложенному для данного способа выражению с регистрацией результатов измерения в ПЭВМ 13.

Технико-экономические преимущества предложенного способа по сравнению с прототипом заключается в многократном сокращении времени отдельного измерения, возможности использования предложенного способа для измерения фазовых сдвигов при автоматизации измерений.

Возможности практической реализации предложенного способа не вызывают сомнения. Изготовлен и прошел испытания экспериментальный образец устройства, реализующий предложенный способ измерения.

Предлагаемый двухзондовый способ измерения фазовых сдвигов в балансном кольце может использоваться в антенной и волноводной технике для проведения измерений как автономно для измерения характеристик одиночных элементов, так и в составе автоматизированных рабочих мест с высокой производительностью для контроля характеристик массовых узлов. Способ измерения основан на разделении непрерывного сигнала на два плеча, в одно из которых установлен двухзондовый фазочуствительный элемент и измеряемое устройство, а в другое плечо - фазовый модулятор, имеющий два состояния 0 или 180 градусов. При проведении измерения на каждом из двух зондов проводится суммирование двух СВЧ-сигналов, один из которых несет информацию о фазе измеряемого устройства, а другой является опорным. Определение фазового сдвига, вносимого измеряемым устройством, проводится расчетным путем с использованием найденных в два такта амплитуд сигналов на двух неподвижных зондах. Для первого такта при начальном фазовом состоянии СВЧ-сигнала и для второго такта при измененном фазовом состоянии СВЧ-сигнала 180 градусов в одном из плеч балансного кольца. Техническим результатом является простота реализации при обеспечении проведения измерений с достаточно высокой точностью. 2 ил.

Двухзондовый способ измерения фазовых сдвигов СВЧ-сигналов в балансном кольце, основанный на разделении непрерывного СВЧ-сигнала на два плеча, в одно из которых установлены измеряемое устройство и двухзондовый фазочуствительный элемент, суммировании на каждом из упомянутых зондов двух СВЧ-сигналов, один из которых несет информацию о фазе сигнала на измеряемом устройстве, а другой является опорным, сравнении этих сигналов и определении фазового сдвига, отличающийся тем, что измерение фазового сдвига производится с помощью двух неподвижных зондов в два такта, в первом такте при начальном фазовом состоянии СВЧ-сигнала, а во втором - при измененном в одном из плеч фазовом состоянии СВЧ-сигнала на 180°, определении амплитуды сигналов на обоих зондах, вычислении внесенного измеряемым устройством фазового сдвига в соответствии с выражением

где U₁₁ и U₁₂ - амплитуды сигналов от первого зонда в первом и втором тактах цикла измерения;

U₂₁ и U₂₂ - амплитуды сигналов от второго зонда в первом и втором тактах цикла измерения;

Δ =0, если (U₂₁·_{U12-U11·U22)>0 и (U21·U11-U12·U22)>0 или (U21·U12- U11·U22)<0 и (U21·U11-U12·U22)>0;}

Δ =180° , если (U₂₁·_{U12-U11·U22)>0 и (U21·U11-U12·U22)<0 или (U21·U12-U11·U22)<0 и (U21·U11-U12·U22)<0;}

γ - сдвиг фаз между зондами в фазочуствительном элементе на частоте измерения.