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, фазовых флуктуаций и комплексного коэффициента корреляции этих флуктуаций в проходных высокочастотных (ВЧ) устройствах типа усилителей, ограничителей мощности, электронных аттенюаторов, разрядников и прочих аналогичных, включая устройства сверхвысокочастотного (СВЧ) и оптического диапазонов.

Речь идет об измерении шумовых низкочастотных (НЧ) амплитудных и фазовых (частотных) флуктуаций (модуляций), 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 сек,

t₁ - переменная интегрирования, размерность которой определяется пределами интегрирования.

Известно, что к уровням амплитудных, 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.

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 по входу амплитудного приемника с коррелятором суммарно-разностного типа (в описании измерителя назван «двухканальный корреляционный приемник»), позволяющий при настройках, описанных в [1], последовательно выделять на его выходе амплитудные или частотные флуктуаций источника ВЧ-колебаний.

Известный измеритель может мерить амплитудные и частотные (фазовые) флуктуаций в любых источниках ВЧ-колебаний, в том числе и в возбуждаемом задающим генератором проходном ВЧ-устройстве типа усилителя, ограничителя мощности, электронного аттенюатора, разрядника и прочих аналогичных. 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 этом случае в измеритель флуктуаций в проходных ВЧ-устройствах. Причем в этом известном измерителе амплитудные и частотные (фазовые) флуктуаций 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) флуктуаций 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 типа усилителя, ограничителя мощности, электронного аттенюатора, разрядника и прочих аналогичных.

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, двухканальный по входу и одноканальный по выходу, 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 типа (коррелятор состоит из суммарно-разностного каскада и НЧ-переключателя), позволяющий при настройках, описанных в [2], последовательно выделять на его выходе амплитудные или фазовые флуктуаций выходного колебания проходного ВЧ-устройства.

Известный измеритель [2] может мерить амплитудные и фазовые флуктуаций в проходных ВЧ-устройствах типа усилителей, ограничителей мощностей, электронных аттенюаторов, разрядников и других аналогичных. Причем в этом измерителе амплитудные и фазовые флуктуаций 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, на 5-10 дБ выше, чем у измерителя [1], за счет выделения в нем фазовых флуктуаций фазовым (а не частотным) дискриминатором и частичного отделения результатов измерений амплитудных и фазовых флуктуаций проходного ВЧ-устройства 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 (частотные) флуктуаций, 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.

Поэтому, функциональные возможности известного измерителя [2] ограничены, а достоверности и чувствительности этого измерителя по амплитудным и фазовым флуктуациям не достаточны, и этот известный измеритель, как и известный измеритель [1], не пригоден для измерений амплитудных, фазовых флуктуаций и комплексного коэффициента корреляции этих флуктуаций, создаваемых современными малошумящими проходными ВЧ-устройствами типа усилителей, ограничителей мощности, электронных аттенюаторов, разрядников и прочих аналогичных, включая устройства СВЧ- и оптического диапазонов.

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, корреляционного типа, 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 ко 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 ВЧ-делителя мощности, частотно-фазового дискриминатора, выполненного на резонансном контуре (он же предисказитель спектра) и корреляционного амплитудно-фазового приемника с параллельным выделением амплитудных и фазовых флуктуаций, двухканального по входу и выходу (сигнал на первом выходе пропорционален амплитудным флуктуациям, а сигнал на втором выходе пропорционален взаимным фазовым флуктуациям входных колебаний этого приемника), включающего в себя компенсатор уровня несущей, ВЧ-переключатель, ключ, фазовый дискриминатора, два двухканальных по входам и выходам амплитудных приемника, вычитающий и суммарно-разностный каскады.

Известный измеритель-прототип может мерить не только амплитудные и частотные (фазовые) флуктуаций, но и комплексный коэффициент корреляции этих флуктуаций в различных источниках ВЧ-колебаний, в том числе в возбуждаемых задающими генераторами проходных ВЧ-устройствах типа усилителей, ограничителей мощности, электронных аттенюаторов, разрядников и прочих аналогичных, включая устройства СВЧ- и оптического 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 этом случае в измеритель флуктуаций в проходных ВЧ-устройствах. Причем в измерителе-прототипе амплитудные, частотные (фазовые) флуктуаций 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) флуктуаций, 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 не достаточны для измерений указанных флуктуационных компонентов в современных малошумящих проходных ВЧ-устройствах типа усилителей, ограничителей мощности, электронных аттенюаторов, разрядников и прочих аналогичных, 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 типа усилителей, ограничителей мощности, электронных аттенюаторов, разрядников и прочих аналогичных, включая устройства СВЧ- и оптического диапазонов, с повышенными достоверностями и чувствительностями 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 дополнительно введены отсутствующие в прототипе модулятор, высокочастотный делитель мощности, два низкочастотных делителя напряжения, два вычитающих каскада и амплитудно-фазовый приемник с параллельным выделением амплитудных и фазовых флуктуаций, причем задающий генератор через модулятор подключен к входу высокочастотного делителя мощности, выходы которого соединены: первый - с входом амплитудно-частотного приемника с параллельным выделением амплитудных и частотных флуктуаций, второй - с первым входом амплитудно-фазового приемника с параллельным выделением амплитудных и фазовых флуктуаций, третий - с входом проходного высокочастотного устройства, а выход калибратора соединен со вторым входом амплитудно-фазового приемника с параллельным выделением амплитудных и фазовых 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 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, амплитудно-фазового приемника с параллельным выделением амплитудных и фазовых флуктуаций, двух вычитающих каскадов и двух НЧ-делителей напряжений с их связями и общей совокупности заявляемых признаков, обладает повышенными, в сравнении с прототипом и с другими известными измерителями, достоверностями и чувствительностями измерений амплитудных, фазовых флуктуаций и комплексного коэффициента корреляции этих флуктуаций, создаваемых проходными ВЧ-устройствами типа усилителей, ограничителей мощности, электронных аттенюаторов, разрядников и прочих аналогичных, 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 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 обычно выполняются с помощью 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 флуктуаций» (в коммутаторе имеется переключатель положений «амплитудные флуктуаций», «фазовые флуктуаций» 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 только при измерении комплексного коэффициента корреляции амплитудных флуктуаций с фазовыми), а поступление сигнала с выхода второго вычитающего каскада на второй вход суммарно-разностного каскада блокируют коммутатором, удается достичь ослаблении 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 - ослаблении 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 фазовых частотных (частотных) флуктуаций проходного ВЧ-устройства, когда сигнал с выхода второго вычитающего устройства через второй вход и второй выход коммутатора, стоящего в положении «фазовые флуктуаций», 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 ослаблении 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 - ослаблении на те же величины, не менее 20 дБ, влияний амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора на результат измерения фазовых флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ-устройством, регистрируемых индикатором и отсчитываемых по калибратору, чего нет в прототипе.

3. При измерении комплексного коэффициента корреляции амплитудных и 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, 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].

Поэтому в заявляемом измерителе в сравнении с прототипом, влияние амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора на результаты измерений амплитудных, 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, фазовых флуктуаций, создаваемых проходными ВЧ-устройствами типа усилителей, ограничителей мощности, электронных аттенюаторов, разрядников и прочих аналогичных, 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, и дополнительно еще выше как минимум на 5-10 дБ за счет выделения амплитудных и фазовых (частотных) флуктуаций проходного ВЧ-устройства в заявляемом измерителе с помощью амплитудно-фазового (а не амплитудно-частотного) приемника, обеспечивающего лучшие условия работы компенсатора несущего колебания, входящего в его состав, 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.

В итоге, в заявляемом измерителе достоверности и чувствительности измерений амплитудных, фазовых флуктуаций, создаваемых проходными ВЧ-устройствами типа усилителей, ограничителей мощности, электронных аттенюаторов, разрядников и прочих аналогичных, включая устройства СВЧ- и оптического диапазонов, и комплексного коэффициента корреляции этих флуктуаций будут на 25-30 дБ, выше, чем у измерителя-прототипа, а по амплитудным и фазовым флуктуациям, создаваемым проходными ВЧ-устройствами указанного типа, как минимум на 20 дБ выше, чем у измерителя [2].

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-частотный приемник с параллельным выделением амплитудных и частотных флуктуаций - 4 (корреляционный, типа [3]), амплитудно-фазовый приемник с параллельным выделением амплитудных и фазовых флуктуаций - 5 (корреляционный, аналогичный входящему в состав амплитудно-частотного приемника измерителя [3]), низкочастотные делители напряжения - 6, 7, проходное ВЧ-устройство - 8 (типа усилителя, ограничителя мощности, электронного аттенюатора, разрядника и прочих аналогичных), 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, второй выход ВЧ-делителя мощности 3 соединен с первым входом амплитудно-фазового приемника с параллельным выделением амплитудных и фазовых флуктуаций, а третий выход ВЧ-делителя мощности 3 через проходное ВЧ-устройство 8 и калибратор 9 соединен со вторым входом амплитудно-фазового приемника 5 с параллельным выделением амплитудных и фазовых 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 сек,

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

α₁(t) - безразмерные амплитудные флуктуаций 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 (фазовую) 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 фазовых флуктуаций в выходном колебании проходного ВЧ-устройства 8, вход и три выхода делителя мощности 3 поступает (см. чертеж): U₁₁(t) - на вход амплитудно-частотного приемника с параллельным выделением амплитудных и частотных флуктуаций 4, U₁₂(t) - на первый вход амплитудно-фазового приемника с параллельным выделением амплитудных и фазовых флуктуаций 5, U₁₃(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,

K_α1 - безразмерный коэффициент передачи канала выделения

амплитудных флуктуаций в приемнике 4,

K_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 (типа усилителя, ограничителя мощности, электронного аттенюатора, разрядника и прочих аналогичных), равное в В

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

- безразмерные полные амплитудные флуктуаций на выходе проходного ВЧ-устройства,

а - 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 флуктуаций, создаваемые проходным ВЧ-устройством,

- безразмерные полные фазовые флуктуаций на выходе проходного ВЧ-устройства,

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

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

φ₂(t) - фазовые флуктуаций в рад, создаваемые проходным ВЧ-устройством,

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

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

K_φ2 - безразмерный коэффициент передачи канала выделения фазовых 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 но 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 и 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 фазовым флуктуациям, создаваемым проходным ВЧ-устройством 8. Заявляемый измеритель имеет три рабочих режима.

1. Измерение амплитудных флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ-устройством.

2. Измерение фазовых флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ-устройством.

3. Измерение комплексного коэффициента корреляции амплитудных флуктуаций с 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 флуктуаций», «фазовые флуктуаций» 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 флуктуаций») 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 безразмерный 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-фазового 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 и дополнительно еще выше, как минимум на 5-10 дБ, за счет выделения амплитудных флуктуаций проходного ВЧ-устройства в заявляемом измерителе с помощью амплитудно-фазового (а не амплитудно-частотного) приемника, обеспечивающего лучшие условия работы компенсатора несущего колебания, входящего в его состав. 2. В режиме измерения фазовых флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ-устройством 8, коммутатор 13 переводят в положение «фазовые флуктуаций», 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 «фазовые флуктуаций»), 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_φ2(t) с выхода суммарно-разностного каскада 14, фиксируются и составляют

Откуда исследуемые частотные (фазовые) флуктуаций 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 фазовую модуляцию, равную по величине исследуемым фазовым флуктуациям.

Настройку на максимальное ослабление влияний амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора 1 на результат измерения 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 фазовые гармонические компоненты на выходе проходного ВЧ-устройства 8 контролируются каналом выделения фазовых флуктуаций (и гармонических фазовых модуляций) амплитудно-частотного приемника 5, на 20-30 дБ превосходят уровень фазовых 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 фазовых флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ- устройством 8, чего нет в измерителе-прототипе.

В итоге достоверность и чувствительность заявляемого измерителя по фазовым (частотным) 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 фазовых (частотных) флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ-устройством и дополнительно еще выше, как минимум на 5-10 дБ, за счет выделения фазовых (частотных) флуктуаций проходного ВЧ-устройства в заявляемом измерителе с помощью амплитудно-фазового (а не амплитудно-частотного) приемника, обеспечивающего лучшие условия работы компенсатора несущего колебания, входящего в его состав.

3. В режиме измерения комплексного коэффициента корреляции амплитудных флуктуаций с 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 фазовыми, создаваемыми проходным ВЧ-устройством, представляют в виде

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

А. Для измерения величины вещественного компонента комплексного коэффициента корреляции амплитудных флуктуаций с фазовыми, создаваемыми проходным ВЧ-устройством 8, фазовращатель 12 ставят в положение «нулевой фазовый сдвиг», а суммарно-разностный каскад 14 - первоначально в положение «сложение входных сигналов» V_α2(t) 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 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 также фиксируется.

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

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

и определяется по ранее зафиксированным показаниям индикатора , , , (последние два показания фиксировались при измерениях амплитудных и фазовых 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 фазовыми, создаваемыми проходным ВЧ-устройством, достигаются при выполнении следующего условия (см. описание измерителя-прототипа [3])

где K_11opt, 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_11opt 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 амплитудных и 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, фазовых (частотных) 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, фазовым (частотным) флуктуациям и комплексному коэффициенту корреляции этих флуктуаций, создаваемых проходными ВЧ-устройствами, будуг, как минимум, на 20 дБ выше, чем у измерителя-прототипа, и дополнительно еще выше, как минимум на 5-10 дБ, за счет выделения в заявляемом измерителе амплитудных и фазовых (частотных) флуктуаций проходного ВЧ-устройства с помощью амплитудно-фазового (а не амплитудно-частотного) приемника, обеспечивающего лучшие условия работы компенсатора несущего колебания, входящего в его состав.

В итоге достоверности и чувствительности измерений амплитудных, фазовых флуктуаций, создаваемых проходными ВЧ-устройствами типа усилителей, ограничителей мощности, электронных аттенюаторов, разрядников и прочих аналогичных, включая устройства СВЧ и оптического диапазонов, и комплексного коэффициента корреляции этих флуктуаций в заявляемом измерителе будут на 25-30 дБ выше, чем у измерителя-прототипа, а по амплитудным и фазовым флуктуациям, создаваемым проходными ВЧ-устройствами указанного типа, как минимум на 20 дБ выше, чем у измерителя [2], 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 публикаций

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-частотный приемник с параллельным выделением амплитудных и частотных флуктуаций 4, амплитудно-фазовый приемник с параллельным выделением амплитудных и фазовых флуктуаций 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, 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 амплитудно-фазовый приемник с параллельным выделением амплитудных и фазовых флуктуаций, причем задающий генератор через модулятор подключен к входу высокочастотного делителя мощности, выходы которого соединены: первый - с входом амплитудно-частотного приемника с параллельным выделением амплитудных и частотных флуктуаций, второй - с первым входом амплитудно-фазового приемника с параллельным выделением амплитудных и фазовых флуктуаций, третий - с входом проходного высокочастотного устройства, а выход калибратора соединен со вторым входом амплитудно-фазового приемника с параллельным выделением амплитудных и фазовых 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 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.