ИЗМЕРИТЕЛЬ ФЛУКТУАЦИЙ В ПРОХОДНЫХ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ УСТРОЙСТВАХ Российский патент 2009 года по МПК G01R23/00 

Изобретение относится к области техники измерений и предназначено для измерения амплитудных, частотных флуктуаций и комплексного коэффициента корреляции этих флуктуаций в проходных высокочастотных (ВЧ) устройствах, преобразующих и не преобразующих частоты входных электромагнитных колебаний, типа умножителя, делителя частот, усилителя, ограничителя мощности, электронного аттенюатора, разрядника и прочих, включая устройства сверхвысокочастотного (СВЧ) и оптического диапазонов.

Речь идет об измерении шумовых низкочастотных (НЧ) амплитудных и частотных (фазовых) флуктуаций, создаваемых в электромагнитных колебаниях проходными ВЧ устройствами (включая устройства СВЧ и оптического диапазонов), предназначенными к работе в современных малошумящих когерентных системах локации и связи. При этом связь между фазовыми флуктуациями φ(t) в рад и эквивалентными им частотными флуктуациями f(t) в Гц дается соотношением

где t - текущее время в с,

t₁ - переменная интегрирования, размерность которой определяется пределами интегрирования.

Известно, что к уровням амплитудных, частотных (фазовых) флуктуаций указанных устройств и к величине комплексного коэффициента корреляции этих флуктуаций предъявляются жесткие требования, выполнение которых невозможно без создания достоверных и высокочувствительных измерителей флуктуаций в проходных ВЧ устройствах, отделяющих указанные флуктуационные компоненты друг от друга, от собственных шумов измерительной аппаратуры и от влияний амплитудных и частотных флуктуаций задающих генераторов. Кроме того, эти измерители должны мерить флуктуации в проходных ВЧ устройствах любого типа, как в преобразующих, так и в не преобразующих частоты входных колебаний (колебаний задающих генераторов).

Известен измеритель флуктуаций источников ВЧ колебаний (включая источники СВЧ и оптического диапазонов) [1], содержащий калибратор, индикатор и амплитудно-частотный приемник с последовательным выделением амплитудных и частотных флуктуаций.

В известном измерителе применен корреляционный амплитудно-частотный приемник с последовательным выделением амплитудных и частотных флуктуаций, одноканальный по входу и выходу, состоящий из ВЧ делителя мощности (в описании измерителя назван «делитель напряжения»), предисказителя спектра, выполненного на резонансном контуре (он же - частотно-фазовый дискриминатор), компенсатора уровня несущей, ВЧ переключателя (в описании измерителя назван «переключателем»), ключа, фазового дискриминатора и двухканального амплитудного приемника с коррелятором суммарно-разностного типа (в описании измерителя назван «двухканальный корреляционный приемник») и позволяющий при настройках, описанных в [1], последовательно выделять на его выходе амплитудные или частотные флуктуации источника ВЧ колебаний.

Известный измеритель может мерить амплитудные и частотные (фазовые) флуктуации в любых источниках ВЧ колебаний, в том числе и в возбуждаемом задающим генератором проходном ВЧ устройстве, преобразующем или не преобразующем частоту входного колебания, типа умножителя, делителя частот, усилителя, ограничителя мощности, электронного аттенюатора, разрядника и прочих. В этом случае в состав данного измерителя входят также последовательно соединенные задающий генератор и проходное ВЧ устройство, выход которого подключают к входу калибратора, а сам измеритель флуктуаций источников ВЧ колебаний [1] превращается в измеритель флуктуаций в проходных ВЧ устройствах. Причем, в этом известном измерителе амплитудные и частотные (фазовые) флуктуации проходного ВЧ устройства отделены друг от друга и от собственных шумов измерительной аппаратуры.

Однако известный измеритель не может мерить комплексный коэффициент корреляций амплитудных флуктуаций с частотными (фазовыми). Кроме того, в известном измерителе амплитудные и частотные (фазовые) флуктуации проходного ВЧ устройства не отделены от влияний амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора.

Поэтому функциональные возможности известного измерителя флуктуаций ограничены, а достоверности и чувствительности этого измерителя по амплитудным и частотным (фазовым) флуктуациям, создаваемым проходными ВЧ устройствами (включая устройства СВЧ и оптического диапазона), недостаточны, и этот известный измеритель непригоден для измерений амплитудных, частотных (фазовых) флуктуаций и комплексного коэффициента корреляции этих флуктуаций, создаваемых современными малошумящими проходными ВЧ устройствами, преобразующими и не преобразующими частоты входных колебаний.

Известен также измеритель флуктуаций в проходных ВЧ устройствах (включая устройства СВЧ и оптического диапазонов) [2], содержащий задающий генератор (в описании измерителя назван «СВЧ генератор»), ВЧ делитель мощности (в описании измерителя назван «делитель мощности»), проходное ВЧ устройство (в описании измерителя названо «усилитель СВЧ»), калибратор, индикатор и амплитудно-фазовый приемник с последовательным выделением на его выходе амплитудных или фазовых флуктуаций.

В этом известном измерителе применен корреляционный амплитудно-фазовый приемник с последовательным выделением амплитудных и фазовых флуктуаций, состоящий из компенсатора уровня несущей, ВЧ переключателя (в описании измерителя назван «переключатель»), ключа, фазового дискриминатора (в описании измерителя назван «дискриминатор») и двухканального (по входу) амплитудного приемника с коррелятором суммарно-разностного тина (состоит из суммарно-разностного каскада и НЧ переключателя) и позволяющий при настройках, описанных в [2], последовательно выделять на его выходе амплитудные или фазовые флуктуации выходного колебания проходного ВЧ устройства.

Известный измеритель [2] может мерить амплитудные и фазовые флуктуации только в проходных ВЧ устройствах, не преобразующих частоты входных колебаний, типа усилителей, ограничителей мощностей, электронных аттенюаторов, разрядников и других аналогичных. Причем, в этом измерителе амплитудные и фазовые флуктуации проходного ВЧ устройства указанного типа отделены друг от друга и от шумов измерительной аппаратуры, а достоверности и чувствительности известного измерителя [2] по амплитудным и фазовым флуктуациям, создаваемым проходными ВЧ устройствами, не преобразующими частоты входных колебаний, на 5-10 дБ выше, чем у измерителя [1], за счет частичного отделения результатов измерений от влияний амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора.

Однако известный измеритель [2] не может мерить комплексный коэффициент корреляции амплитудных флуктуаций с фазовыми в проходных ВЧ устройствах, и в этом измерителе амплитудные и фазовые флуктуации, создаваемые проходным ВЧ устройством, не полностью отделены от влияний амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора, в частности они не отделены от результатов интермодуляционных преобразований амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора в коррелированные с ними амплитудные и фазовые компоненты флуктуаций в выходном колебании проходного ВЧ устройства. Кроме того, данный известный измеритель не может мерить также амплитудные, фазовые флуктуации и комплексный коэффициент корреляций этих флуктуаций в проходных ВЧ устройствах, преобразующих частоты входных колебаний, типа умножителей, делителей частот и прочих аналогичных.

Поэтому функциональные возможности известного измерителя [2J ограничены, а достоверности и чувствительности этого измерителя по амплитудным и фазовым флуктуациям недостаточны, и этот известный измеритель, как и известный измеритель [1], непригоден для измерений амплитудных, фазовых флуктуаций и комплексного коэффициента корреляции этих флуктуаций, создаваемых современными малошумящими проходными ВЧ устройствами (включая устройства СВЧ и оптического диапазонов), преобразующими и не преобразующими частоты входных колебаний.

Наконец, известен измеритель флуктуаций источников ВЧ колебаний (включая устройства СВЧ и оптического диапазонов) [3], принятый нами за прототип и содержащий калибратор, индикатор, суммарно-разностный каскад, коммутатор, фазовращатель и амплитудно-частотный приемник с параллельным выделением амплитудных и частотных флуктуаций, где выход фазовращателя через первый вход и первый выход коммутатора соединен с первым входом суммарно-разностного каскада, второй вход которого подключен к второму входу коммутатора, и выход суммарно-разностного каскада соединен с индикатором.

В измерителе-прототипе применен достаточно сложный корреляционный амплитудно-частотный приемник с параллельным выделением амплитудных и частотных флуктуаций, одноканальный по входу и двухканальный по выходу (сигнал на первом выходе пропорционален амплитудным флуктуациям, а сигнал на втором выходе пропорционален частотным флуктуациям ВЧ колебания, поступающего на вход данного приемника), состоящий из двух ВЧ делителей мощностей, предисказителя спектра, выполненного на резонансном контуре (он же частотно-фазовый дискриминатор), компенсатора уровня несущей, ВЧ переключателя, ключа, фазового дискриминатора, двух двухканальных по входам и выходам амплитудных приемников, вычитающего каскада и суммарно-разностного каскада (второго в данном измерителе).

Известный измеритель-прототип может мерить не только амплитудные и частотные (фазовые) флуктуации, но и комплексный коэффициент корреляции этих флуктуаций в различных источниках ВЧ колебаний, в том числе в возбуждаемых задающими генераторами проходных ВЧ устройствах, преобразующих и не преобразующих частоты входных колебаний, включая устройства СВЧ и оптических диапазонов. В последнем случае в состав измерителя-прототипа входят также последовательно соединенные задающий генератор и проходное ВЧ устройство, выход которого подключен к входу калибратора, а сам измеритель флуктуаций в источниках ВЧ колебаний [3] превращается в измеритель флуктуаций в проходных ВЧ устройствах. Причем, в измерителе-прототипе амплитудные, частотные (фазовые) флуктуации проходного ВЧ устройства указанного типа и комплексный коэффициент корреляции этих флуктуаций отделены друг от друга и от собственных шумов измерительной аппаратуры.

Однако в измерителе-прототипе амплитудные и частотные (фазовые) флуктуации, создаваемые проходным ВЧ устройством, не отделены от влияний амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора, возбуждающего проходное ВЧ устройство. Вследствие чего, достоверности и чувствительности известного измерителя [3] по амплитудным, частотным (фазовым) флуктуациям и комплексному коэффициенту корреляции этих флуктуаций также недостаточны для измерений указанных флуктуационных компонентов в современных малошумящих проходных ВЧ устройствах, преобразующих и не преобразующих частоты входных колебаний, включая устройства СВЧ и оптического диапазонов.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в устранении отмеченных недостатков прототипа, а именно в создании измерителя флуктуаций в проходных ВЧ устройствах, включая устройства СВЧ и оптического диапазонов, преобразующих и не преобразующих частоты входных колебаний задающих генераторов, с повышенными достоверностями и чувствнтельностями измерений амплитудных, частотных (фазовых) флуктуаций и комплексного коэффициента корреляции этих флуктуаций, создаваемых проходными ВЧ устройствами, в условиях, когда указанные измеряемые флуктуационные компоненты не только отделены друг от друга и от собственных шумов измерительной аппаратуры, как это имеет место в измерителе-прототипе, но также отделены от влияний амплитудный и частотных флуктуаций задающего генератора, чего нет в измерителе-прототипе.

Для решения данной технической задачи в известный измеритель флуктуаций в проходных высокочастотных устройствах (прототип), содержащий задающий генератор, проходное высокочастотное устройство, калибратор, индикатор, суммарно-разностный каскад, коммутатор, фазовращатель и амплитудно-частотный приемник с параллельным выделением амплитудных и частотных флуктуаций, где выход проходного высокочастотного устройства подключен к входу калибратора, а выход фазовращателя через первый вход и первый выход коммутатора соединен с первым входом суммарно-разностного каскада, второй вход которого подключен ко второму выходу коммутатора, и выход суммарно-разностного каскада соединен с индикатором, в отличие от него (от прототипа) дополнительно введены модулятор, высокочастотный делитель мощности, два низкочастотных делителя напряжения, два вычитающих каскада и второй амплитудно-частотный приемник с параллельным выделением амплитудных и частотных флуктуаций, причем задающий генератор через модулятор подключен к входу высокочастотного делителя мощности, первый выход которого соединен с входом первого амплитудно-частотного приемника с параллельным выделением амплитудных и частотных флуктуаций, второй - с входом проходного высокочастотного устройства, а выход калибратора соединен с входом второго амплитудно-частотного приемника с параллельным выделением амплитудных и частотных флуктуаций, выходы которого, первый и второй, подключены соответственно к первым входам первого и второго вычитающих каскадов, при этом второй вход первого вычитающего каскада соединен с первым выходом первого низкочастотного делителя напряжения, второй выход которого подключен ко второму входу второго вычитающего каскада, и третий вход первого вычитающего каскада соединен с первым выходом второго низкочастотного делителя напряжения, второй выход которого подключен к третьему входу второго вычитающего каскада, а входы низкочастотных делителей напряжения, первого и второго, подключены соответственно к первому и второму выходам первого амплитудно-частотного приемника с параллельным выделением амплитудных и частотных флуктуаций и выход первого вычитающего каскада соединен с входом фазовращателя, а выход второго вычитающего каскада соединен со вторым входом коммутатора.

Заявляемый измеритель благодаря наличию в нем модулятора, ВЧ делителя мощности, второго амплитудно-частотного приемника с параллельным выделением амплитудных и частотных флуктуаций, двух вычитающих каскадов и двух НЧ делителей напряжений с их связями и общей совокупности заявляемых признаков обладает повышенными, в сравнении с прототипом, достоверностями и чувствительностями измерений амплитудных, частотных (фазовых) флуктуаций и комплексного коэффициента корреляции этих флуктуаций, создаваемых проходными ВЧ устройствами, преобразующими и не преобразующими частоты входных колебаний (включая устройства СВЧ и оптического диапазонов), поскольку в нем (в заявляемом измерителе) можно последовательно с помощью модулятора вводить в колебание задающего генератора гармонические амплитудную или частотную (фазовую) модуляции, уровни которых на 30-40 дБ превышают значения амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора и на 20-30 дБ превышают значения амплитудных и частотных (фазовых) флуктуаций в выходном колебании исследуемого проходного ВЧ устройства, а затем, регулируя коэффициенты передач сигналов в вычитающих каскадах (такие регулировки всегда имеются в типовых вычитающих каскадах и выполняются с помощью обычных потенциометров, стоящих на их входах), осуществлять следующие операции.

1. При измерении амплитудных флуктуаций проходного ВЧ устройства, когда сигнал с выхода первого вычитающего каскада через фазовращатель, стоящий в любом положении (фазовращатель имеет переключатель положений «нулевой фазовый сдвиг» и «фазовый сдвиг π/2», применяемый только при измерении комплексного коэффициента корреляции амплитудных флуктуаций с частотными), первый вход и первый выход коммутатора, стоящего в положении «амплитудные флуктуации» (в коммутаторе имеется переключатель положений «амплитудные флуктуации», «частотные флуктуации» и «корреляция флуктуаций») подается на первый вход суммарно-разностного каскада, стоящего в любом положении, (суммарно-разностный каскад имеет переключатель положений «сложение входных сигналов», «вычитание входных сигналов», применяемый при измерении только комплексного коэффициента корреляции амплитудных флуктуаций с частотными), а поступление сигнала с выхода второго вычитающего каскада на второй вход суммарно-разностного каскада блокируют коммутатором, удается достичь ослаблений в выходном сигнале первого вычитающего каскада на величины, не менее 20 дБ, влияний составляющих гармонических амплитудной и частотной модуляций, происходящих из-за искусственного введения их с помощью модулятора в колебание задающего генератора и регистрируемых индикатором, а при устранении этих модуляций выключением модулятора - ослаблений на те же величины, не менее 20 дБ, влияний амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора на результат измерения амплитудных флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством, регистрируемых индикатором и отсчитываемых по калибратору, чего нет в прототипе.

2. При измерении частотных (фазовых) флуктуаций проходного ВЧ устройства, когда сигнал с выхода второго вычитающего устройства через второй вход и второй выход коммутатора, стоящего в положении «частотные флуктуации», подается на второй вход суммарно-разностного каскада, стоящего в любом положении, а поступление сигнала с выхода первого вычитающего каскада через фазовращатель на первый вход суммарно-разностного каскада блокируют коммутатором, удается достичь ослаблений в выходном сигнале второго вычитающего каскада на величины, не менее 20 дБ, влияний составляющих гармонических амплитудной и частотной модуляций, происходящих из-за искусственного введения их с помощью модулятора в колебание задающего генератора и регистрируемых индикатором, а при устранении этих модуляций выключением модулятора - ослаблений на те же величины, не менее 20 дБ, влияний амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора на результат измерения частотных флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством, регистрируемых индикатором и отсчитываемых по калибратору, чего нет в прототипе.

3. При измерении комплексного коэффициента корреляции амплитудных и частотных (фазовых) флуктуаций проходного ВЧ устройства коммутатор переводят в положение «корреляция флуктуаций», и он (коммутатор) обеспечивает подачу на первый и второй входы суммарно-разностного каскада сигналов с выходов обоих вычитающих каскадов: с выхода первого вычитающего каскада - через фазовращатель, первый вход и первый выход коммутатора на первый вход суммарно-разностного каскада, и с выхода второго вычитающего каскада - через второй вход и второй выход коммутатора на второй вход суммарно-разностного каскада.

При этом с учетом выполненных ранее настроек в режимах 1, 2 реализуют ослабления в сигналах на выходах обоих вычитающих каскадов на величины не менее 20 дБ, влияний амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора на результаты выделений амплитудных, частотных (фазовых) флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством, и на результат измерения комплексного коэффициента корреляции этих флуктуаций, определяемого по показаниям индикатора в двух указанных положениях фазовращателя и суммарно-разностного каскада по известному алгоритму, описанному в [3].

В итоге в заявляемом измерителе, в сравнении с прототипом, влияние амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора на результаты измерений амплитудных, частотных (фазовых) флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством, и комплексного коэффициента корреляции этих флуктуаций ослаблены на величины не менее 20 дБ, чего нет в измерителе-прототипе.

Соответственно, достоверности и чувствительности измерений амплитудных, частотных (фазовых) флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством, преобразующим и не преобразующим частоты входных колебаний (включая устройства СВЧ и оптического диапазонов), и комплексного коэффициента корреляции этих флуктуаций в заявляемом измерителе будут на те же величины, не менее 20 дБ, выше, чем у измерителя-прототипа при применении в обоих измерителях однотипных задающих генераторов, проходных ВЧ устройств, калибраторов, фазовращателей, коммутаторов, суммарно-разностных каскадов, индикаторов и амплитудно-частотных приемников с параллельным выделением амплитудных и частотных флуктуаций.

Таким образом, достигается решение поставленной задачи.

Из сказанного очевидно, что заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем, т.е. оно явным образом не следует из известных технических решений, и пригодно для практического применения.

На чертеже представлена функциональная схема заявляемого измерителя флуктуаций в проходных высокочастотных устройствах.

Заявляемый измеритель флуктуаций в проходных высокочастотных устройствах содержит (см. чертеж): задающий генератор - 1, модулятор - 2, делитель мощности - 3, амплитудно-частотные приемники с параллельным выделением амплитудах и частотных флуктуаций - 4, 5 (корреляционные, типа [3]), низкочастотные делители напряжения - 6, 7, проходное ВЧ устройство - 8 (любого типа, преобразующее или не преобразующее частоту колебания задающего генератора), калибратор - 9, вычитающие каскады - 10, 11, фазовращатель - 12, коммутатор - 13, суммарно-разностный каскад - 14 и индикатор - 15. При этом задающий генератор 1 через модулятор 2 подключен к входу делителя мощности 3, первый выход которого соединен с входом амплитудно-частотного приемника 4 с параллельным выделением амплитудных и частотных флуктуаций, выходы которого, первый и второй, подключены соответственно: первый - к входу первого и второй - к входу второго из НЧ делителей напряжений 6 и 7, а второй выход ВЧ делителя мощности 3 через проходное ВЧ устройство 8 и калибратор 9 соединен с входом второго амплитудно-частотного приемника 5 с параллельным выделением амплитудных и частотных флуктуаций, выходы которого, первый и второй, подключены соответственно первый - к первому входу вычитающего каскада 10 и второй - к первому входу вычитающего каскада 11, вторые входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами НЧ делителя напряжения 6, а третьи входы вычитающих каскадов 10 и 11 соединены соответственно с первым и вторым выходами НЧ делителя напряжения 7, причем выход вычитающего каскада 10 через фазовращатель 12, первый вход и первый выход коммутатора 13 подключен к первому входу суммарно-разностного каскада 14, а выход вычитающего каскада 11 через второй вход и второй выход коммутатора 13 подключен ко второму входу суммарно-разностного каскада 14, выход которого соединен с индикатором 15.

Заявляемый измеритель флуктуаций в проходных ВЧ устройствах применяют следующим образом.

Колебание задающего генератора 1, равное в В

где t - текущее время в с,

- среднее значение в В амплитуды колебания задающего генератора (здесь и далее чертой сверху помечена операция усреднения по времени),

α₁(t) - безразмерные амплитудные флуктуации задающего генератора,

и f₁(t₁) - средняя и флуктуационная составляющие частоты колебания задающего генератора,

t₁ - переменная интегрирования, размерность которой определяется пределами интегрирования,

через модулятор 2, могущий задавать в колебание U₁(t) гармонические амплитудную или частотную модуляции, величины которых на 30-40 дБ превышают значения амплитудных или частотных флуктуаций задающего генератора 1 и на 20-30 дБ превышают значения амплитудных или частотных (фазовых) флуктуаций в выходном колебании проходного ВЧ устройства 8, вход и два выхода делителя мощности 3 поступают (см. чертеж): U₁₁(t) - на вход амплитудно-частотного приемника с параллельным выделением амплитудных и частотных флуктуаций 4 и U₁₂(t) - на вход проходного ВЧ устройства 8.

Сигналы V_α1(t) и V_f1(t)c первого и второго выходов амплитудно-частотного приемника 4, очищенные от собственных шумов приемника, пропорциональные амплитудным α₁(t) и частотным f₁(t) флуктуациям задающего генератора 1 и равные в В

,

где - среднее значение в В амплитуды колебания U₁₁(t), составляющего часть колебания задающего генератора 1,

К_α1 - безразмерный коэффициент передачи канала выделения амплитудных флуктуаций в приемнике 4,

К_f1 - коэффициент передачи в Гц^-1 канала выделения частотных флуктуаций в приемнике 4,

далее подаются на входы НЧ делителей напряжений 6 и 7 (первого и второго).

Колебание с выхода проходного ВЧ устройства 8, равное в В

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

- безразмерные полные амплитудные флуктуации на выходе проходного ВЧ устройства,

a - безразмерный коэффициент передачи амплитудных флуктуаций задающего генератора на выход проходного ВЧ устройства,

b - коэффициент интермодуляционного преобразования в Гц^-1 частотных флуктуаций задающего генератора в коррелированный с ними компонент амплитудных флуктуаций в выходном колебании проходного ВЧ устройства,

α₂(t) - безразмерные амплитудные флуктуации, создаваемые проходным ВЧ устройством,

- среднее значение частоты выходного колебания

проходного ВЧ устройства,

- выраженные в Гц полные частотные флуктуации на выходе проходного ВЧ устройства,

с - безразмерный коэффициент передачи частотных флуктуаций задающего генератора на выход проходного ВЧ устройства,

d - коэффициент интермодуляционного преобразования в Гц амплитудных флуктуаций задающего генератора в коррелированный с ними компонент частотных флуктуаций в выходном колебании проходного ВЧ устройства,

f₂(t₁) - частотные флуктуации в Гц, вносимые проходным ВЧ устройством,

- средний фазовый сдвиг в рад, создаваемый проходным ВЧ устройством,

через калибратор 9, могущий задавать в колебание U₂(t) отсчитываемые уровни шумовой амплитудной или частотной модуляции, величины которых сравнимы с реальными значениями амплитудных и частотных (фазовых) флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством, далее поступает на вход амплитудно-частотного приемника 5 с параллельным выделением амплитудных и частотных флуктуаций.

Сигналы и с первого и второго выходов приемника 5, очищенные от собственных шумов приемника, пропорциональные полным амплитудным и частотным флуктуациям выходного колебания проходного ВЧ устройства 8 и равные в В

где K_α2 - безразмерный коэффициент передачи канала выделения амплитудных флуктуаций в приемнике 5,

К_f2 - коэффициент передачи в Гц^-1 канала выделения частотных флуктуаций в приемнике 5, далее подаются на первые входы вычитающих каскадов 10 и 11, на вторые входы которых поступают сигналы с первого и второго выходов НЧ делителя напряжения 6, пропорциональные амплитудным флуктуациям задающего генератора 1 и равные по величине

При этом на третьи входы вычитающих каскадов 10 и 11 подаются сигналы с первого и второго выходов НЧ делителя напряжений 7, пропорциональные частотным флуктуациям задающего генератора 1 и равные по величине

В выражениях (7), (8) учтено, что входные сигналы низкочастотных делителей напряжений 6 и 7 проходят на их выходы с коэффициентом передачи 1/2.

Сигналы в В на выходах вычитающих каскадов 10 и 11 равны

где K₁₁, K₁₂, K₁₃ - безразмерные коэффициенты передачи сигналов в вычитающем каскаде 10 с его входов (первого, второго и третьего) на выход,

K₂₁, K₂₂, K₂₃ - безразмерные коэффициенты передачи сигналов в вычитающем каскаде 11 с его входов (первого, второго и третьего) на выход.

Регулируя коэффициенты передачи сигналов K₁₂, K₁₃, K₂₂, K₂₃ в вычитающих каскадах 10 и 11 (такие регулировки всегда имеются в типовых вычитающих каскадах и обычно осуществляются с помощью потенциометров, стоящих на их входах) таким образом, чтобы выполнить условия

где K_12opt, K_13opt, K_22opt, K_23opt - оптимальные значения коэффициентов K₁₂, K₁₃, K₂₂, K₂₃,

устраняем в выходных сигналах вычитающих каскадов 10 и 11 составляющие, связанные с влиянием амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора 1.

В итоге, сигналы в В на выходах вычитающих каскадов 10 и 11, очищенные от влияния амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора 1 и от собственных шумов амплитудно-частотных приемников 4, 5, составят

и будут пропорциональны только исследуемым амплитудным и частотным флуктуациям, создаваемым проходным ВЧ устройством 8. Заявляемый измеритель имеет три рабочих режима.

1. Измерение амплитудных флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством.

2. Измерение частотных (фазовых) флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством.

3. Измерение комплексного коэффициента корреляции амплитудных флуктуаций с частотными (фазовыми), создаваемыми проходным ВЧ устройством.

1. В режиме измерения амплитудных флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством 8, коммутатор 13 ставят в положение «амплитудные флуктуаций» (типовой коммутатор имеет переключатель положений «амплитудные флуктуации», «частотные флуктуации» и «корреляция флуктуаций»), суммарно-разностный каскад 14 - в любое положение, например в положение «суммирование входных сигналов» (типовой суммарно-разностный каскад имеет переключатель рабочих положений: «суммирование входных сигналов» и «вычитание входных сигналов», применяемый только в режиме измерения комплексного коэффициента корреляции флуктуаций).

При этом коммутатор 13 через фазовращатель 12, стоящий в произвольном положении, например в положении «нулевой фазовый сдвиг» (фазовращатель имеет переключатель рабочих положений: «нулевой фазовый сдвиг» и «фазовый сдвиг π/2», применяемый только в режиме измерения комплексного коэффициента корреляции флуктуаций), подключает выход вычитающего каскада 10 к первому входу суммарно-разностного каскада 14, выход которого соединен с индикатором 15 и он же (коммутатор 13, стоящий в режиме «амплитудные флуктуации») отключает выход вычитающего каскада 11 от второго входа суммарно-разностного каскада 14.

В этом случае показания в В² индикатора 15 (квадратичного усредняющего), пропорциональные мощности поступающего на него с выхода суммарного каскада 14 сигнала V_α2(t), фиксируются и составляют

Откуда исследуемые безразмерные амплитудные флуктуаций, создаваемые проходным ВЧ устройством 8, определяются соотношением

и отсчитываются по калибратору 9, задающему в данном режиме в выходное колебание проходного ВЧ устройства шумовую амплитудную модуляцию, равную по величине исследуемым амплитудным флуктуациям.

Настройку заявляемого измерителя на максимальное ослабление влияний амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора 1 на результаты измерения амплитудных флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством 8, осуществляют следующим образом.

Сначала выключают амплитудно-частотный приемник 4 и с помощью модулятора 2 последовательно вводят в колебание задающего генератора 1 гармонические амплитудную и частотную модуляции, результаты преобразований которых в коррелированные с ними гармонические амплитудные компоненты в выходном колебании проходного ВЧ устройства 8 контролируются каналом выделения амплитудных флуктуаций (и гармонических амплитудных модуляций) амплитудно-частотного приемника 5, на 20-30 дБ превосходят уровень амплитудных флуктуаций в выходном колебании проходного ВЧ устройства 8 и фиксируются по показаниям индикатора 15.

Затем включают амплитудно-частотный приемник 4 с параллельным выделением на его выходах (первом и втором) амплитудных и частотных флуктуаций (а также гармонических амплитудной и частотной модуляций) колебания задающего генератора 1 и, последовательно регулируя уровни сигналов на втором и третьем входах вычитающего каскада 10 (соответствующие регулировки имеются на всех входах типовых вычитающих каскадов и обычно осуществляются с помощью потенциометров), добиваются уменьшения ранее зафиксированного показания индикатора 15 на величину не менее 20 дБ, что соответствует выполнению условий (11) с точностью до 10%.

Наконец, выключением модулятора 2 гармонические амплитудную и частотную модуляции убирают.

Выполненные настройки гарантируют (при выключенном модуляторе) ослабление в вычитающем каскаде 10 на величины не менее 20 дБ влияний амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора 1 на результат измерения амплитудных флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством 8, чего нет в измерителе-прототипе.

В итоге, достоверность и чувствительность заявляемого измерителя по амплитудным флуктуациям будут, как минимум, на 20 дБ выше, чем у измерителя-прототипа, за счет соответствующих ослаблении влияний амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора на результат измерения амплитудных флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством.

2. В режиме измерения частотных (фазовых) флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством 8, коммутатор 13 переводят в положение «частотные флуктуации», суммарно-разностный каскад 14 по-прежнему стоит в произвольном положении, например в положении «сложение входных сигналов».

При этом коммутатор 13 подключает выход вычитающего каскада 11 ко второму входу суммарно-разностного каскада 14, и он же (коммутатор 13, стоящий в положении «частотные флуктуации») отключает выход фазовращателя 12 от первого входа суммарно-разностного каскада 14.

В данном случае показания в В² индикатора 15 (квадратичного усредняющего), пропорциональные мощности поступающего на него сигнала V_f2(t) с выхода суммарно-разностного каскада 14, фиксируются и составляют

Откуда исследуемые частотные (фазовые) флуктуации в Гц², создаваемые проходным ВЧ устройством 8, определяются соотношением

и отсчитываются по калибратору 9, задающему в этом режиме выходное колебание проходного ВЧ устройства 8, шумовую частотную модуляцию, равную по величине исследуемым частотным (фазовым) флуктуациям.

Настройку на максимальное ослабление влияний амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора 1 на результат измерения частотных (фазовых) флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством 8, осуществляют в заявляемом измерителе следующим образом.

Сначала выключают амплитудно-частотный приемник 4 и с помощью модулятора 3 последовательно вводят в колебание задающего генератора 1 гармонические амплитудную и частотную модуляции, результаты преобразования которых в коррелированные с ними частотные гармонические компоненты на выходе проходного ВЧ устройства 8 контролируются каналом выделения частотных флуктуаций (и гармонических частотных модуляций) амплитудно-частотного приемника 5, на 20-30 дБ превосходят уровень частотных флуктуаций в выходном колебании проходного ВЧ устройства 8 и фиксируются по показаниям индикатора 15.

Затем включают амплитудно-частотный приемник 4 с параллельным выделением на его выходах (первом и втором) амплитудных и частотных флуктуаций (и гармонических амплитудной и частотной модуляций) колебания задающего генератора 1, и, регулируя уровни сигналов на втором и третьем входах вычитающего каскада 11, добиваются уменьшения ранее зафиксированного показания индикатора 15 на величину не менее 20 дБ, что соответствует выполнению условий (12) с точностью до 10%.

Наконец, выключением модулятора 2 гармонические амплитудную и частотную модуляции убирают.

Выполненные настройки гарантируют (при выключенном модуляторе) ослабление в вычитающем каскаде 11 на величины не мене 20 дБ влияний амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора 1 на результат измерения частотных (фазовых) флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством 8, чего нет в измерителе-прототипе.

В итоге достоверность и чувствительность заявляемого измерителя по частотным (фазовым) флуктуациям будут, как минимум, на 20 дБ выше, чем у измерителя-прототипа, за счет соответствующих ослаблении влияний амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора на результат измерения частотных (фазовых) флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством.

3. В режиме измерения комплексного коэффициента корреляции амплитудных флуктуаций с частотными (фазовыми), создаваемыми проходным ВЧ устройством, коммутатор 13 переводят в положение «корреляция флуктуаций».

При этом коммутатор 13 подключает к первому и второму входам суммарно-разностного каскада 14 сигналы с выходов вычитающих каскадов 10 и 11: с выхода вычитающего каскада 10 через фазовращатель 12, первый вход и первый выход коммутатора 13 к первому входу суммарно-разностного каскада 14 и с выхода вычитающего каскада 11 через второй вход и второй выход коммутатора 13 ко второму входу суммарно-разностного каскада 14.

Величину безразмерного комплексного коэффициента корреляции г амплитудных флуктуаций с частотными (фазовыми), создаваемыми проходным ВЧ устройством, представляют в виде

и определяют в заявляемом измерителе путем последовательных измерений значений Re , Im , т.е. величин вещественного и мнимого компонентов коэффициента корреляции .

А. Для измерения величины вещественного компонента Re комплексного коэффициента корреляции амплитудных флуктуаций с частотными (фазовыми), создаваемыми проходным ВЧ устройством, фазовращатель 12 ставят в положение «нулевой фазовый сдвиг», а суммарно-разностный каскад 14 - первоначально в положение «сложение входных сигналов» V_α2(t)₀ и V_f2(t), поступающих на его входы с выходов коммутатора 13.

В этом случае сигнал в В на выходе суммарно-разностного каскада 14 равен

а показание в В² индикатора 15 (квадратичного усредняющего) составляет

и фиксируется.

В выражениях (19), (20) и далее индекс «о» (или «π/2») указывает на величину фазового сдвига сигнала V_α2(t) в фазовращателе 12, индекс «+» (или «-») - на сложение (или вычитание) входных сигналов в суммарно-разностном каскаде 14. Кроме того, в выражении (20) и далее в (22), (23), (24) учтено, что по определению .

Затем суммарнo-разностный каскад 14 переводят в положение «вычитание входных сигналов».

В данном случае сигнал в В на выходе суммарно-разностного каскада 14 равен

а показание в В² индикатора 15 составляет

и также фиксируется.

По определению величина вещественного компонента Re безразмерного комплексного коэффициента корреляции амплитудных флуктуаций с частотными (фазовыми), создаваемыми проходным ВЧ устройством 8, равна

С учетом (20), (22), (23) измеренная величина вещественного компонента Re безразмерного комплексного коэффициента корреляции амплитудных флуктуаций с частотными (фазовыми), создаваемыми проходным ВЧ устройством 8, составляет величину

и определяется по ранее зафиксированным показаниям индикатора , , , (последние два показания фиксировались при измерениях амплитудных и частотных флуктуаций, вносимых проходным ВЧ устройством, см. пп.1, 2).

Б. Для измерения величины мнимого компонента Im безразмерного комплексного коэффициента корреляции амплитудных флуктуаций с частотными (фазовыми), создаваемыми проходным ВЧ устройством 8, фазовращатель 12 переводят в положение «фазовый сдвиг π/2», а суммарно-разностный каскад 14 первоначально возвращают в режим «суммирование входных сигналов», поступающих с выходов коммутатора 13.

В этом случае сигнал в В на выходе суммарно-разностного каскада 14 равен

а показание в В² индикатора 15 составляет

и фиксируется.

В выражении (26) и далее в (28), (29), (30) учтено, что

Затем суммарно-разностный каскад 14 переводят в положение «вычитание входных сигналов».

В данном случае сигнал в В на выходе суммарно-разностного каскада 14 равен

а показание в В² индикатора 15 составляет

и вновь фиксируется.

По определению величина мнимого компонента Im безразмерного комплексного коэффициента корреляции амплитудных флуктуаций с частотными (фазовыми), создаваемыми проходным ВЧ устройством 8, равна

С учетом (26), (28), (29) измеренное значение безразмерного мнимого компонента Im комплексного коэффициента корреляции амплитудных флуктуаций с частотными (фазовыми), создаваемыми проходным ВЧ устройством 8, составляет величину

и определяется по ранее зафиксированным показаниям индикатора , , , (последние два показания фиксировались при измерениях амплитудных и частотных флуктуаций, вносимых проходным ВЧ устройством, см. пп.1, 2).

Известно, что максимальные достоверности и чувствительности измерений величин вещественного Re и мнимого Im компонентов комплексного коэффициента корреляции амплитудных флуктуаций с частотными (фазовыми), создаваемыми проходным ВЧ устройством, достигаются при выполнении следующего условия (см. описание измерителя-прототипа [3])

где K_11орt, K_21opt - оптимальные значения коэффициентов передачи сигналов с первых входов вычитающих каскадов 10 и 11 на их выходы. Условие (31) реализуют в заявляемом измерителе подбором значений коэффициентов K_11oрt, K_21opt путем регулировок уровней сигналов на первых входах вычитающих каскадов 10, 11 (такие регулировки имеются на всех входах типовых вычитающих каскадов).

Окончательно, измеренный безразмерный комплексный коэффициент корреляции г амплитудных и частотных (фазовых) флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством 8, численно равен

где величины , , , , , определяются по показаниям индикатора 15 в соответствующих режимах работы заявляемого измерителя.

Описанные процессы показывают, что в заявляемом измерителе влияния и амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора на результаты измерений амплитудных, частотных (фазовых) флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством, и комплексного коэффициента корреляции этих флуктуаций ослаблены на величины не менее 20 дБ, чего нет в измерителе-прототипе.

Вследствие отмеченного обстоятельства достоверности и чувствительности заявляемого измерителя по амплитудным, частотным (фазовым) флуктуациям и комплексному коэффициенту корреляции этих флуктуаций, создаваемых проходными ВЧ устройствами, преобразующими и не преобразующими частоты колебаний задающих генераторов, будут, как минимум, на 20 дБ выше, чем у измерителя-прототипа, при применении в обоих измерителях однотипных задающих генераторов, проходных ВЧ устройств, калибраторов, фазовращателей, коммутаторов, суммарно-разностных каскадов, индикаторов и амплитудно-частотных приемников с параллельным выделением амплитудных и частотных флуктуаций.

Источники информации

1. А.С. СССР №652502, МПК G01R 23/6, опубл. 1979.

2. А.С. СССР №286071, МПК G01R 23/6, опубл. 1971.

3. А.С. СССР №1506375, МПК G01R 23/6, опубл. 1989 (прототип).

Изобретение относится к области техники измерений и предназначено для измерения амплитудных, частотных (фазовых) флуктуаций и комплексного коэффициента корреляции этих флуктуаций, создаваемых проходными высокочастотными устройствами. Измеритель содержит задающий генератор 1, модулятор 2, высокочастотный делитель мощности 3, амплитудно-частотные приемники с параллельным выделением амплитудных и частотных флуктуаций 4 и 5, низкочастотные делители напряжений 6 и 7, проходное высокочастотное устройство 8, калибратор 9, вычитающие каскады 10 и 11, фазовращатель 12, коммутатор 13, суммарно-разностный каскад 14 и индикатор 15. Технический результат - повышение достоверности и чувствительности измерений амплитудных, частотных (фазовых) флуктуаций и комплексного коэффициента корреляции этих флуктуаций, создаваемых проходными высокочастотными устройствами указанного типа. 1 ил.

Измеритель флуктуаций в проходных высокочастотных устройствах, содержащий задающий генератор, проходное высокочастотное устройство, калибратор, индикатор, суммарно-разностный каскад, коммутатор, фазовращатель и амплитудно-частотный приемник с параллельным выделением амплитудных и частотных флуктуаций, где выход проходного высокочастотного устройства подключен к входу калибратора, а выход фазовращателя через первый вход и первый выход коммутатора соединен с первым входом суммарно-разностного каскада, второй вход которого подключен ко второму выходу коммутатора, и выход суммарно-разностного каскада соединен с индикатором, отличающийся тем, что в него дополнительно введены модулятор, высокочастотный делитель мощности, два низкочастотных делителя напряжения, два вычитающих каскада и второй амплитудно-частотный приемник с параллельным выделением амплитудных и частотных флуктуаций, причем задающий генератор через модулятор подключен к входу высокочастотного делителя мощности, первый выход которого соединен с входом первого амплитудно-частотного приемника с параллельным выделением амплитудных и частотных флуктуаций, второй - с входом проходного высокочастотного устройства, а выход калибратора соединен с входом второго амплитудно-частотного приемника с параллельным выделением амплитудных и частотных флуктуаций, выходы которого, первый и второй, подключены, соответственно, к первым входам первого и второго вычитающих каскадов, при этом второй вход первого вычитающего каскада соединен с первым выходом первого низкочастотного делителя напряжения, второй выход которого подключен ко второму входу второго вычитающего каскада, и третий вход первого вычитающего каскада соединен с первым выходом второго низкочастотного делителя напряжения, второй выход которого подключен к третьему входу второго вычитающего каскада, а входы низкочастотных делителей напряжения, первого и второго, подключены, соответственно, к первому и второму выходам первого амплитудно-частотного приемника с параллельным выделением амплитудных и частотных флуктуаций и выход первого вычитающего каскада соединен с входом фазовращателя, а выход второго вычитающего каскада соединен со вторым входом коммутатора.