ИЗМЕРИТЕЛЬ ФЛУКТУАЦИЙ В ПРОХОДНЫХ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ УСТРОЙСТВАХ Российский патент 2005 года по МПК G01R29/26 

Изобретение относится к области техники измерений и предназначено для измерения амплитудных и фазовых флуктуаций в проходных высокочастотных (ВЧ) устройствах типа усилителей, ограничителей мощности, фазовращателей, разрядников и других, включая устройства сверхвысокочастотного (СВЧ) и оптического диапазонов.

Речь идет об измерении хаотических низкочастотных (НЧ) амплитудных и фазовых модуляций (флуктуаций), создаваемых в электромагнитных колебаниях проходными ВЧ-устройствами (включая устройства СВЧ и оптического диапазонов), предназначенными к работе в современных когерентных малошумящих системах локации и связи. Известно, что к уровням амплитудных и фазовых флуктуаций таких устройств предъявляются жесткие требования, выполнение которых невозможно без создания высокочувствительных и достоверных измерителей флуктуаций, отделяющих амплитудные и фазовые флуктуацийпроходного устройства друг от друга, от собственных шумов измерительной аппаратуры и от влияния флуктуаций задающего генератора.

Известен измеритель флуктуации источников ВЧ-колебаний (включая источники колебаний СВЧ и оптического диапазонов) [1], содержащий калибратор, двухканальный амплитудный приемник прямого детектирования (в описании измерителя [1] применен термин "два независимых СВЧ детектора"), коррелятор и индикатор, позволяющий мерить амплитудные флуктуации в проходных ВЧ-устройствах. В известном измерителе амплитудные флуктуации отделены от собственных шумов измерительной аппаратуры, однако известный измеритель не может мерить фазовые флуктуации в проходных ВЧ-устройствах и обладает низкой чувствительностью измерения амплитудных флуктуаций. Поэтому функциональные возможности и чувствительность данного измерителя не достаточны, и этот измеритель не пригоден для измерения амплитудных и фазовых флуктуаций в современных малошумящих проходных ВЧ-устройствах.

Известен также измеритель флуктуации в проходных ВЧ-устройствах (включая устройства СВЧ и оптического диапазонов) [2], принятый за прототип и содержащий задающий генератор (в описании измерителя [2] - "СВЧ генератор"), делитель мощности, проходное ВЧ-устройство (в описании измерителя [2] - "усилитель СВЧ"), калибратор, компенсатор уровня несущей, ВЧ-переключатель (в описании измерителя [2] - "переключатель"), фазовый дискриминатор (в описании измерителя [2] "дискриминатор"), ключ, двухканальный амплитудный приемник с суммарно-разностным каскадом и НЧ переключателем (в описании измерителя [2], наряду с названным, применен термин "двухканальный корреляционный приемник", допускающий использование и суммарно-разностного, и перемножающего коррелятора, хотя, в действительности, измерителю [2] необходим коррелятор именно суммарно-разностного типа, состоящий из суммарно-разностного каскада и НЧ-переключателя) и индикатор, причем первый выход делителя мощности через проходное ВЧ-устройство и калибратор подключен к первому входу компенсатора уровня несущей, выход которого через первый вход и выход ВЧ-переключателя соединен с первым входом фазового дискриминатора, второй вход которого подключен к выходу ключа, а выходы фазового дискриминатора, первый и второй, через двухканальный амплитудный приемник подключены, соответственно, первый - к первому и второй - ко второму входам суммарно-разностного каскада, выходы которого "сумма" и "разность" через НЧ-переключатель соединены с индикатором.

Этот известный измеритель позволяет мерить не только амплитудные, но и фазовые флуктуации в проходных ВЧ-устройствах типа усилителей, ограничителей мощности, фазовращателей, разрядников и в других аналогичных устройствах. Кроме того, в этом измерителе амплитудные и фазовые флуктуации проходного ВЧ-устройства, отделены друг от друга и от шумов измерительной аппаратуры, причем чувствительность измерителя [2] по амплитудным флуктуациям выше, чем у измерителя [1].

Однако в известном измерителе [2] фазовые флуктуации, создаваемые проходным ВЧ-устройством, не отделены от влияния частотных флуктуаций задающего генератора, преобразующихся внутри проходного ВЧ-устройства в фазовые ввиду задержки колебания задающего генератора в проходном ВЧ-устройстве. Поэтому достоверность и чувствительность известного измерителя [2] по фазовым флуктуациям не достаточны, и этот измеритель, как и известный измеритель [1], не пригоден для измерения фазовых флуктуаций, создаваемых современными малошумящими проходными ВЧ-устройствами.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - устранение отмеченных недостатков прототипа, а именно, создание измерителя флуктуаций в ВЧ проходных устройствах (включая устройства СВЧ и оптического диапазонов) с повышенными достоверностью и чувствительностью измерения фазовых флуктуаций в условиях, когда фазовые флуктуации, создаваемые проходным ВЧ-устройством, не только отделены от его амплитудных флуктуаций и от шумов измерительной аппаратуры, но также отделены и от влияния частотных флуктуаций задающего генератора, преобразующихся внутри проходного ВЧ-устройства в фазовые ввиду задержки колебания задающего генератора в проходном ВЧ-устройстве.

Для решения данной технической задачи в известный измеритель флуктуации в проходных ВЧ-устройствах [2] (прототип), содержащий задающий генератор, делитель мощности, проходное ВЧ-устройство, калибратор, компенсатор уровня несущей, ВЧ-переключатель, фазовый дискриминатор, ключ, двухканальный амплитудный приемник, суммарно-разностный каскад, НЧ-переключатель и индикатор, где первый выход делителя мощности через проходное ВЧ-устройство и калибратор подключен к первому входу компенсатора уровня несущей, выход которого через первый вход и выход ВЧ-переключателя соединен с первым входом фазового дискриминатора, второй вход которого подключен к выходу ключа, а выходы фазового дискриминатора, первый и второй, через двухканальный амплитудный приемник подключены, соответственно, первый - к первому и второй - ко второму входам суммарно-разностного каскада, выходы которого "сумма" и "разность" через НЧ-переключатель соединены с индикатором, дополнительно введены (в отличие от прототипа) модулятор, регулируемая линия задержки и второй делитель мощности, при этом выход задающего генератора через модулятор подключен ко входу первого делителя мощности, второй выход которого через регулируемую линию задержки соединен со входом второго делителя мощности, первый выход которого подключен ко входу ключа, второй - ко второму входу ВЧ-переключателя, а третий - ко второму входу компенсатора уровня несущей.

Заявляемый измеритель, благодаря наличию в нем модулятора, регулируемой линии задержки, второго делителя мощности с их связями и общей совокупности заявляемых признаков, обладает повышенными достоверностью и чувствительностью измерения фазовых флуктуаций, принадлежащих проходным ВЧ-устройствам типа усилителей, ограничителей мощности, фазавращателей, разрядников и прочих аналогичных устройств, поскольку в нем (в заявляемом измерителе) с помощью модулятора можно задать в колебание задающего генератора гармоническую частотную модуляцию, на 30-40 дБ превышающую частотные флуктуации генератора, а затем, выравнивая с точностью до 10% задержки колебаний в проходном ВЧ-устройстве и в регулируемой линии задержки, осуществить ослабление в выходном колебании компенсатора уровня несущей на величину не менее 20 дБ компонента фазовых флуктуаций, связанного с преобразованием частотных флуктуаций задающего генератора в фазовые внутри проходного ВЧ-устройства, в сравнении с компонентом фазовых флуктуаций создаваемым самим проходным ВЧ-устройством. Соответственно, достоверность и чувствительность измерения фазовых флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ-устройством, в заявляемом измерителе будут выше, чем в прототипе, не менее чем на 20 дБ

Таким образом достигается решение поставленной технической задачи.

При этом достоверность и чувствительность измерения амплитудных флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ-устройством, благодаря указанной совокупности признаков в заявляемом измерителе не ниже, что и у прототипа.

На фиг.1 представлена функциональная схема заявляемого измерителя с иллюстрацией положений переключателей и ключа, нужных для измерения фазовых флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ-устройством. На фиг.2 - та же схема с иллюстрацией положений переключателей и ключа, нужных для измерения амплитудных флуктуаций на выходе проходного ВЧ-устройства.

Заявляемый измеритель флуктуаций в проходных ВЧ-устройствах содержит (фиг.1, 2): задающий генератор - 1; делители мощности - 2 и 3; проходное ВЧ-устройство - 4, калибратор - 5; компенсатор уровня несущей - 6; ВЧ-переключатель - 7; фазовый дискриминатор - 8; ключ - 9; двухканальный амплитудный приемник - 10; суммарно-разностный каскад - 11; НЧ-переключатель - 12; индикатор - 13, модулятор - 14 и регулируемую линию задержки - 15. Причем выход задающего генератора 1 через модулятор 14 подключен ко входу делителя мощности 2, первый выход которого через проходное ВЧ-устройство 4 и калибратор 5 подключен к первому входу компенсатора уровня несущей 6, выход которого через первый вход и выход ВЧ-переключателя 7 соединен с первым входом фазового дискриминатора 8, а второй выход делителя мощности 2 (первого) через регулируемую линию задержки 15 подключен ко входу делителя мощностью 3 (второю), первый выход которого через ключ 9 соединен со вторым входом фазового дискриминатора 8, выходы которого, первый и второй, через двухканальный амплитудный приемник 10 соединены соответственно: первый с первым и второй - со вторым входами суммарно-разностного каскада 11, выходы которого "+" (сумма) и "-" (разность) через НЧ-переключатель 12 соединены с индикатором 13. При этом второй и третий выходы делителя мощности 3 подключены соответственно: второй - ко второму входу ВЧ-переключателя 7, третий - ко второму входу компенсатора уровня несущей 6.

Заявляемый измеритель флуктуаций в проходных ВЧ-устройствах применяют следующим образом.

1) При измерении фазовых флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ-устройством 4, ключ 9 замыкают, а НЧ-переключатель 12 ставят в положение "-" (фиг.1).

При этом колебание задающего генератора 1 в В, равное

^*) Здесь и далее чертой сверху помечена операция усреднения по времени.

где - среднее значение амплитуды колебания задающего генератора в В, t - время в сек,

α(t) - безразмерные флуктуации амплитуды задающего генератора,

и - средняя и флуктуационная составляющие частоты колебания задающего генератора в Гц,

t₁ - переменная интегрирования в сек,

через модулятор 14, могущий задавать в колебание u(t) гармоническую частотную или амплитудную модуляцию, на 30-40 дБ превышающую реальное значение частотных или амплитудных флуктуаций задающего генератора, вход и первый выход делителя мощности 2 поступает на вход проходного ВЧ-устройства 4, выходное колебание которого u₁(t) в В составит

где - среднее значение в В амплитуды выходного колебания проходного ВЧ-устройства;

α₁(t) - безразмерные амплитудные флуктуации, создаваемые проходным ВЧ-устройством;

a₁ - безразмерный коэффициент передачи амплитудных флуктуацийзадающего генератора на выход проходного ВЧ-устройства (0≤а₁≤1);

- среднее значение фазы выходного колебания проходного ВЧ-устройства в рад:

- фазовые флуктуации в рад, создаваемые проходным ВЧ-устройством;

b₁ - задержка колебания задающего генератора внутри проходного ВЧ-устройства в рад/Гц.

Колебание u₁(t)с выхода проходного ВЧ-устройства 4 через калибратор 5, могущий задавать в колебание u₁(t) отсчитываемые уровни шумовой фазовой или амплитудной модуляции, поступает на первый вход компенсатора уровня несущей 6.

Колебание задающего генератора 1 со второго выхода делителя мощности 2 подается на вход регулируемой линии задержки 15, выходное колебание которой u₂(t) в В равно

где - среднее значение в В амплитуды выходного колебания регулируемой линии задержки;

- среднее значение в рад фазы выходного колебания линии задержки;

b₂ - задержка колебания задающею генератора в регулируемой линии задержки в рад/Гц.

Колебание u₂(t) с выхода регулируемой линии задержки 15 поступает на вход делителя мощности 3, а колебания u₂₁(t), u₂₂ (t)и u₂₃(t)c первого, второго и третьего выходов делителя мощности 3 подаются: u₂₁(t) - через замкнутый ключ 9 на второй вход фазового дискриминатора 8, u₂₂(t) - на вход "2" ВЧ-переключателя 7 и u₂₃(t) - на второй вход компенсатора уровня несущей 6.

При , где - среднее значение амплитуды колебания u₂₃(t), фазируя колебания u₁(t) и u₂₃(t) на входах компенсатора несущей на вычитание, для колебания u(t) в В на выходе компенсатора уровня несущей 6 получим:

где - среднее значение в В амплитуды выходного колебания компенсатора несущей;

- безразмерный коэффициент ослабления уровня несущего колебания в компенсаторе;

- среднее значение в рад фазы выходного колебания компенсатора.

Из последнего выражения видно, что в выходном колебании компенсатора уровня несущей 6 происходит увеличение в "р" раз амплитудных и фазовых составляющих флуктуаций α₁(t) и ϕ₂(t), принадлежащих проходному ВЧ-устройству 4. Амплитудные и фазовые составляющие флуктуаций, связанные с преобразованием амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора α₁(t) и f(t₁) в проходном ВЧ-устройстве 4 и в линии задержки 15, проходят на выход компенсатора уровня несущей без заметного увеличения при а₁≈1 и b₁≈b₂. Условие а₁≈1 выполняется в случае квазилинейного проходного ВЧ-устройства (большинство проходных ВЧ-устройств являются квазилинейными), условие b₁≈b₂ выполняют в заявляемом измерителе подбором нужной величины задержки в регулируемой линии задержки 15.

Обычно, р≥40 дБ, поэтому в колебании Δu(t) на выходе компенсатора уровня несущей 6 при a₁≥0,9 и (b₁-b₂)0,1b, парциальные вклады амплитудных и фазовых составляющих флуктуаций р(a₁-1)α(t) и р(b₁-b₂)f(t), связанных с влиянием амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора 1, ослаблены на величину не менее 20 дБ в сравнении с амплитудными и фазовыми составляющими флуктуаций рα₁(t) и рϕ₁(t), создаваемыми самим проходным ВЧ-устройством 4. С учетом сказанного, в дальнейшем в колебании Δu(t) влиянием составляющих флуктуации р(a₁-1)α(t) и р(b₁-b₂)f(t) можно пренебречь с достаточным основанием.

Настройку на максимальное увеличение в выходном колебании компенсатора уровня несущей 6 составляющих флуктуаций pϕ₁(t) и pα₁(t) в сравнении с составляющими p(a₁-1)α(t) и p(b₁-b₂)f(t), связанными с влиянием частотных и амплитудных флуктуаций задающего генератора, осуществляют в заявляемом измерителе с помощью модулятора 14 и калибратора 5. Для этого, применяя модулятор 14, последовательно вводят в выходное колебание задающего генератора сначала гармоническую частотную, а затем гармоническую амплитудную модуляции, уровни которых на 30÷40 дБ превышают реальные уровни частотных и амплитудных флуктуаций задающего генератора 1. Затем с помощью регулируемых фазовращателя и аттенюатора, обязательно имеющихся в типовом компенсаторе уровня несущей 6, последний (компенсатор уровня несущей) настраивают на максимальное ослабление на его выходе компонентов гармонических фазовых и амплитудных модуляций, появившихся в выходных колебаниях проходного ВЧ-устройства 4 и регулируемой линии задержки 15 вследствие действия гармонических частотной и амплитудной модуляции заданных модулятором 14, в сравнении с шумовыми фазовыми и амплитудными модуляциями, последовательно вводимыми в выходное колебание проходного ВЧ-устройства 4 с помощью калибратора 5 и имитирующими увеличенные на 30÷40 дБ фазовые и амплитудные флуктуации, создаваемые самим проходным ВЧ-устройством. Данная процедура при р ≥40 дБ и при выполнении с точностью до 10% равенств b₁≈b₂ a₁≈1 гарантирует увеличение в выходном колебании компенсатора уровня несущей 6 на величину не менее 20 дБ компонентов фазовых и амплитудных флуктуаций pϕ₁(t) и pα₁(t), создаваемых проходным ВЧ-устройством 4, в сравнении с компонентами фазовых и амплитудных флуктуаций p(b₁-b₂)f(t) и p(a₁-1)α(t), связанными с действием частотных и амплитудных флуктуаций задающего генератора 1.

Колебание Δu(t) в В с выхода компенсатора уровня несущей 6

очищенное от составляющих флуктуаций p(a₁-1)α(t) и p(b₁-b₂)f(t)-связанных с влиянием флуктуации задающего генератора, в положении "1" ВЧ-переключателя 7 поступает на первый вход фазового дискриминатора 8, на второй вход которого через замкнутый ключ 9 подается колебание u₂₁(t), составляющее часть выходного колебания регулируемой линии задержки 15. Выравнивая с помощью регулируемого аттенюатора (всегда входящего в состав фазового дискриминатора) средние значения амплитуд колебаний Δu(t) и u₂₁(t), т.е. выполняя условие , и фазируя с помощью регулируемого фазовращателя (также входит в состав типового фазового дискриминатора) колебания u(t) и u₂₁(t) на квадратурное сложение, для амплитуд и в В колебаний и на входах I-го и II-го каналов двухканального амплитудного приемника 10 в режиме измерения фазовых флуктуаций (фиг.1) получим

;

Сигналы в В с выходов 1-го и 11-го каналов двухканального приемника 10, равные

где K и K - безразмерные регулируемые коэффициенты передачи I-го и II-го каналов двухканального приемника в режиме измерений фазовых флуктуаций проходного ВЧ-устройства 4,

V_шI(t), V_шII(t)-собственные входные шумы в В каналов I, II приемника, одинаковые в режимах измерения фазовых и амплитудных флуктуаций, далее поступают на входы суммарно-разностного каскада 11, выполняющего в режиме измерения фазовых флуктуаций роль вычитающего устройства.

При производимом в двухканальном приемнике 10 выравнивании коэффициентов передачи каналов, т.е. при К_Iϕ=К_IIϕ=Кϕ, сигнал в В на выходе "-" (разность) суммарно-разностного каскада 11 составит

С учетом независимости (некоррелированности) шумов каналов приемника V_ш и V_ш показания в В² индикатора 13, пропорциональные величине шумовой мощности

сигнала , будут

Для отделения фазового компонента флуктуации от компонента связанного с влиянием собственных шумов измерительной аппаратуры, переводят теперь ВЧ-переключатель 7 в положение "2" и выставляют прежние режимы работы фазового дискриминатора 8 и двухканального амплитудного приемника 10. При этом сигнал в В на выходе "-" (разность) суммарно-разностного каскада 11 составит

Соответственно, показания в В² индикатора 13, пропорциональные величине шумовой мощности сигнала ,

С учетом полученных выражений исследуемые фазовые флуктуации в рад², создаваемые проходным ВЧ-устройством 4, определяются соотношением

и отсчитываются по калибратору 5, с помощью которого теперь в выходное колебание проходного ВЧ-устройства 4 задают калиброванный (отсчитываемый) уровень шумовой фазовой модуляции, равный по величине исследуемым фазовым флуктуациям.

2) При измерении амплитудных флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ-устройством: ключ 9 размыкают, ВЧ-переключатель 7 ставят в положение «1» (фиг.2). Рабочие процессы, происходящие в элементах 1-6, 14, 15 заявляемого измерителя, в этом режиме те же, что и в режиме измерения фазовых флуктуаций в проходном ВЧ-устройстве.

Фазовый дискриминатор 8 при измерении амплитудных флуктуаций проходного ВЧ-устройства 4 выполняет роль делителя мощности пополам для колебания Δu(t), поступающего на его первый вход в положении «1» ВЧ-переключателя 7, а с выходов фазового дискриминатора 8 на входы I-го и II-го каналов двухканального амплитудного приемника 10 подаются колебания u_Iα(t) и u_IIα(t), амплитуды которых U_mIα(t) и U_mIIα(t) в В равны

Сигналы в В с выходов I-го и II-го каналов двухканального амплитудного приемника 10, равные

где K_Iα и K_IIα - безразмерные регулируемые коэффициенты передачи каналов I и II приемника в режиме измерения амплитудных флуктуаций, далее поступают на входы 1 и 2 суммарно-разностного каскада 11, сигналы в В на выходах которого "+" (сумма) и "-" (разность) при производимом в приемнике 10 выравнивании коэффициентов передачи каналов I и II, т.е. при K_Iα=K_IIα= K_α, составят

Соответственно, показания индикатора 13 в В², равные величинам шумовых мощностей сигналов V_α+ ²(t) и V_α- ²(t) в положениях "+" (сумма) и "-" (разность) НЧ-переключателя 12, с учетом независимости (некоррелированности) собственных входных шумов каналов приемника V_шI(t), V_шII(t), будут

Исследуемые безразмерные амплитудные флуктуации , создаваемые проходным ВЧ-устройством 4, определяются из последних выражений соотношением

и отсчитываются по калибратору 5, с помощью которого в этом режиме в выходное колебание проходного ВЧ-устройства 4 задают калиброванный (отсчитываемый) уровень шумовой амплитудной модуляции, равный по величине исследуемым амплитудным флуктуациям.

Описанные выше процессы показывают, что в заявляемом измерителе фазовые флуктуации, создаваемые проходным ВЧ-устройством, отделены от его амплитудных флуктуаций, от шумов измерительной аппаратуры и от влияния частотных флуктуаций задающего генератора, преобразованных в фазовые внутри проходного ВЧ-устройства ввиду наличия задержки в последнем. Поэтому, достоверность и чувствительность заявляемого измерителя по фазовым флуктуациям, создаваемым проходным ВЧ-устройством, при глубине подавления несущего колебания в компенсаторе уровня несущей р=40 дБ и при выравнивании с точностью до 10% задержек колебания задающего генератора в проходном ВЧ-устройстве и в регулируемой линии задержки будут на 20 дБ выше, чем у традиционного решения - прототипа, за счет соответствующего отделения в заявляемом измерителе фазовых флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ-устройством, от компонента преобразования в этом устройстве частотных флуктуаций задающего генератора в фазовые, чего нет в прототипе.

Достоверность и чувствительность измерения амплитудных флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ-устройством, в предлагаемом измерителе не ниже, чем и у прототипа.

Источники информации

1. Патент РФ № 2088944.

2. АС СССР № 515999.

Измеритель содержит задающий генератор, модулятор, два делителя мощности, регулируемую линию задержки, калибратор, компенсатор уровня несущей, фазовый дискриминатор, двухканальный амплитудный приемник, суммарно-разностный каскад и индикатор. В предложенном измерителе фазовые флуктуации, создаваемые самим исследуемым высокочастотным устройством, отделены от его амплитудных флуктуаций, шумов измерительной аппаратуры. Чувствительность заявляемого измерителя к фазовым флуктуациям, создаваемым самим высокочастотным устройством, повышена за счет отделения этих фазовых флуктуаций от фазовых флуктуаций, являющихся результатом преобразования флуктуаций частоты задающего генератора в исследуемом высокочастотном устройстве. 2 ил.

Измеритель флуктуаций в проходных высокочастотных устройствах, содержащий задающий генератор, делитель мощности, проходное высокочастотное устройство, калибратор, компенсатор уровня несущей, высокочастотный переключатель, фазовый дискриминатор, ключ, двухканальный амплитудный приемник, суммарно-разностный каскад, низкочастотный переключатель и индикатор, причем первый выход делителя мощности через проходное высокочастотное устройство и калибратор подключен к первому входу компенсатора уровня несущей, выход которого через первый вход и выход высокочастотного переключателя соединен с первым входом фазового дискриминатора, второй вход которого подключен к выходу ключа, а выходы фазового дискриминатора, первый и второй, через двухканальный амплитудный приемник подключены соответственно первый к первому и второй ко второму входам суммарно-разностного каскада, выходы которого «сумма» и «разность» через низкочастотный переключатель соединены с индикатором, отличающийся тем, что в него дополнительно введены модулятор, регулируемая линия задержки и второй делитель мощности, при этом выход задающего генератора через модулятор подключен ко входу первого делителя мощности, второй выход которого через регулируемую линию задержки соединен со входом второго делителя мощности, первый выход которого подключен ко входу ключа, второй - ко второму входу высокочастотного переключателя, а третий - ко второму входу компенсатора уровня несущей.