Устройство для измерения фазовых характеристик Советский патент 1987 года по МПК G01R25/02 

ш

J5

11285399

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения фазовых характеристик радиоустройств на высоких и сверхвысоких частотах.

Цель изобретения - повьмение точности измерения фазовых характеристик для СВЧ-элементов, имеющих коэффициент передачи, близкий к единице.

На чертеже представлена структурная схема устройства для измерения фазовых характеристик.

Устройство для измерения фазобых характеристик содержит генератор 1 СВЧ, выход которого соединен с входом первого делителя 2 мощности, к первому входу которого подключен вход первого ферритового вентиля 3, выход которого является входом для подключения исследуемого СВ 1-элемен- та. 4, к второму выходу первого делителя 2 мощности подключен вход вто- рог.о ферритового вентиля 5, выход которого подключен к модулирующему входу источника 6 когерентного света, выход которого оптически связан с входом первого оптического фазовращателя 7, выход которого оптически -связан с входом расщепителя 8 луча, первый выход расщепителя 8 луча оптически связан с оптическим входом первого фазового детектора 9, состоящего из лавинного фотодиода 10 с согласующей цепью 11 на радиочастотном входе и фильтра 12 нижних частот на выходе, второй выход расщепителя 8 луча оптически связан через второй оптический фазовращатель 13 с оптическим входом второго фазового детектора 14, идентичного первому, второй делитель 15 мощности, вход которого является входом для подключения исследуемого СВЧ-элемента 4, а первый выход делителя 15 мощности соединен с радиочасрыми входами первого 18 и второго 16 сумматоров. Первый ферритов ьм вентиль 3, исследуемый СВЧ-эйемент 4 и второй делитель 15 мощности образуют измерительный канал.

Второй ферритовый вентиль 5, источник 6 когерентного света, первый оптический фазовращатель 7 и расщепитель 8 луча образуют опорный канал. , В качестве источника 6 когерентного света с модулирующим входом может быть использован полупроводниковьй лазер с модуляцией смещением.

Идентичные ферритовые вентили 3 и 5 служат для развязки и уменьшения влияния отраженных волн в измерительном и опорном каналах, согласующие цепи 11 служат для согласования комплексных импедансов лавинных фотодиодов 0 с каналом измерительных колебаний. Первый оптический фазовращатель 7 служит для калибровки, второй оптический фазовращатель 13 служит для сдвига фазы сигнала, которым модулирован световой луч в канале опорных колебаний, на 90. Первый и второй оптические фазовращатели 7 и 13 могут представлять собой механически связанную систему из четырех зеркал, с помощью которых осуществляется изменение геометрической длины опорного канала для проходящего светового луча, модулированного опорны- . ми колебаниями, и являются стандарт- 35 ными оптическими элементами.

Расщепитель 8 луча служит для разделения модулированного опорными колебаниями светового луча на два луча равной интенсивности и может быть выполнен в виде наклонного полупрозрачного зеркалаi

Идентичные фильтры 12 нижних частот служат для вьщеления в токах ла-. винных фотодиодов 10 фазоразностной

20

25

30

40

тотным входом первого фазового детек- составляющей между опорными колеба- тора 9, второй выход - с радиочастот- ниями, которыми модулирован по интен- ным входом второго фазового детекто- сивности световой луч, генерируемьй ра 14, выход которого соединен с пер- источником 6 когерентного света, и вым входом второго сумматора 16, вы- колебаниями измерительного канала, ход которого соединен с вторым входом 50 прошедшими исследуемый СВЧ-элемент 4

измерителя 17 отношений, выход первого фазового детектора 9 соединен с первым входом первого сумматора 18, выход которого соединен с первым входом измерителя 17 отношений, выход которого Соединен с индикатором 19 фазы, источник 20 опорного напряжения, выход которого соединен с вто

5

рыми входами первого 18 и второго 16 сумматоров. Первый ферритов ьм вентиль 3, исследуемый СВЧ-эйемент 4 и второй делитель 15 мощности образуют измерительный канал.

Второй ферритовый вентиль 5, источник 6 когерентного света, первый оптический фазовращатель 7 и расщепитель 8 луча образуют опорный канал. , В качестве источника 6 когерентного света с модулирующим входом может быть использован полупроводниковьй лазер с модуляцией смещением.

Идентичные ферритовые вентили 3 и 5 служат для развязки и уменьшения влияния отраженных волн в измерительном и опорном каналах, согласующие цепи 11 служат для согласования комплексных импедансов лавинных фотодиодов 0 с каналом измерительных колебаний. Первый оптический фазовращатель 7 служит для калибровки, второй оптический фазовращатель 13 служит для сдвига фазы сигнала, которым модулирован световой луч в канале опорных колебаний, на 90. Первый и второй оптические фазовращатели 7 и 13 могут представлять собой механически связанную систему из четырех зеркал, с помощью которых осуществляется изменение геометрической длины опорного канала для проходящего светового луча, модулированного опорны- . ми колебаниями, и являются стандарт- 35 ными оптическими элементами.

Расщепитель 8 луча служит для разделения модулированного опорными колебаниями светового луча на два луча равной интенсивности и может быть выполнен в виде наклонного полупрозрачного зеркалаi

Идентичные фильтры 12 нижних частот служат для вьщеления в токах ла-. винных фотодиодов 10 фазоразностной

0

5

30

40

составляющей между опорными колеба- ниями, которыми модулирован по интен- сивности световой луч, генерируемьй источником 6 когерентного света, и колебаниями измерительного канала, 50 прошедшими исследуемый СВЧ-элемент 4

и поступающими на лавинные фотодиоды 10 с согласующих цепей 11.

Первый и второй сумматоры 18 и 16 служат для компенсации в выходных 55 сигналах первого и второго фазовых детекторов 9 и 14 постоянной составляющей, определяемой положением рабочей точки лавинного фотодиода 10.

Компенсирующие напряжения подаются с источника 20 опорного напряжения.

Измеритель 17 отношения служит для деления выходных сигналов первого и второго сумматоров 18 и 16.

Индикатор 19 фазы служит для индикации фазораэностного сигнала.

Устройство для измерения фазовых характеристик работает следующим образом..

СВЧ-сигнал от генератора 1 СБЧ поступает на вход первого делителя 2 мощности, на выходах которого получаются два синфазных сигнала. Один из этих сигналов поступает в измери- тельный канал и, пройдя через первый ферритовый вентиль 3 и исследуемый СВЧ-элемент 4, изменит свою фазу и амплитуду в соответствии с фазой и модулем коэффициента передачи иссле- дуемого СВЧ-элемента 4. Далее этот сигнал поступает на вход второго делителя 15 мощности, на выходах которого получаются два синфазных сигнала одинакового уровня, один из кото- рых поступает через согласующую цепь 1 на вход лавинного фотодиода 10 первого фазового детектора 9, а второй через согласующую цепь 11 - на вход лавинного фотодиода 10 второго фазового детектора 14.

Сигнал с второго выхода первого делителя 2 .мощности поступает в канал опорных колебаний. Пройдя через второй ферритовый вентиль 5, этот сигнал поступает на модулирующий источника 6 когерентного света и осуществляет модуляцию по интенсивности генерируемого этим источником светового излучения СВЧ опорными ко- лебаниями.

Модулированный по интенсивности световой пучок с источника 6 когерентного света проходит через первый оптический фазовращатель 7 и поступа ет на расщепитель 8 луча. С расщепителя 8 луча выходят два световых пучка равной интенсивности. Первый из этих пучков поступает на оптический вход первого фазового детектора 9. Второй световой пучок с расщепителя 8 луча поступает на второй оптический фазовращатель 13 и далее на оптический вход второго фазового детектора 14. Длины путей оптических пучков от расщепителя 8 луча до лавинного фотодиода 10 первого фазового детектора 9 и от расщепителя 8 луча через второй оптический фазовращатель 13

до лавинного фотодиода 10 второго фазового детектора 14 отличаются на четверть длины волны СВЧ-сигнала, поступающего с генератора 1 СВЧ, которым модулирован по интенсивности световой пучок.

Токи лавинных фотодиодов 10 первого и второго фазовых детекторов 9 и 14 определяются как действующим на них высокочастотным напряжением, поступившим с согласующих цепей 11 первого и второго фазовых детекторов 9 и 14 из измерительного канала, так и интенсивностью оптического излучения, поступающего на них с расщепителя 8 луча и с второго оптического фазовращателя 13. Интенсивность световых пучков меняется в такт с опорным СВЧ-сигналом, поступающим на источник 6 когерентного света с,второго ферритового вентиля 5.

Токи лавинных фотодиодов 10 первого и второго фазовых детекторов 9 и 14 будут содержать постоянные составляющие, определяемые рабочими точками лавинных фотодиодов 10, и фазораз- ностные составляющие. Поскольку дпи- ны оптических каналов для светового излучения, поступающего на лавиннь е фотодиоды 10 первого и второго фазовых детекторов 9 и 14, отличаются на четверть волны модулирующего излучения СВЧ-сигнала, то составляющие сигнала модуляции оптического излучения на фотодиодах IО будут сдвинуты по фазе на 90. В результате фа- зоразностная составляющая тока лавинного фотодиода IО первого фазового детектора 9 будет пропорциональна косинусу разности фаз между колебаниями опорного и измерительного каналов, а фазоразностная составляющая тока лавинного фотодиода 10 второго фазового детектора 14 будет пропорциональна синусу разности фаз между колебаниями опорного и измерительного каналов.

Так как первый и второй фазовые д етекторы 9 и 14 идентичны, сигналы, поступающие на их радиочастотные входы, одинаковы, а сигналы, поступающие на их оптические входы, различаются лишь фазой сигнала модуляции, то постоянные составляющие токов лавинных фотодиодов 10 первого и второго фазовых детекторов 9 и 14, определяемые рабочей точкой лавинных фотодиодов 10, будут одинаковы, а фа- зоразностные составляющие токов ла

винных фотодиодов 10 первого и второго фазовых детекторов 9 и 14 будут отличаться по фазе: косинус и синус разности фаз колебаний в опорном и измерительном каналах. Эти составляю- 1цие токов лавинных фотодиодов 10 первого и второго фазовых детекторов 9 и 14 выделяются идентичными фильтрами 12 нижних частот первого и второго фазовых детекторов 9 и 14 и посту- пают соответственно на первый сумматор 18 и второй сумматор 16. В первом и втором сумматорах 18 и 16 из выходных сигналов первого и второго фазовых детекторов 9 и 14 вычитается напряжение, равное по уровню составляющей выходных сигналов первого и второго фазовых детекторов 9 и 14, определяемых рабочей точкой лавинных фотодиодов 10. Это напряжение поступает с источника 20 опорного напряжения, уровень его устанавливается во время калибровки, когда исследуемый СВЧ-элемент 4 исключен из тракта. Сигнал с выхода первого сумматора 18 будет равен произведению амплитуды фазоравностной составляющей выходно- -го сигнала первого фазового детектора 9 на косинус разности фаз колеба- ,ний в опорном и измерительном каналах. Выходной сигнал с второго сумматора 16 будет равен произведению амплитуды фазоразностной составляющей выходного сигнала второго фазового детектора 14 на синус разности фаз колебаний в опорном и измерительном каналах. Оба выходных сигнала первого и второго сумматоров 18 и 16 поступают на первый и второй входы измерителя 17 отношений, где производится их деление друг на друга. Поскольку амплитуды фазоразностных составляющих первого и второго фазовых детекторов 9 и 14 равны, то после деления выходной сигнал измерителя 17 отношений будет пропорционален тангенсу разности фаз колебаний в опорном и измерительном каналах и не будет зависеть от уровня напряжения в измерительном канале и интенсивности света в опорном, т.е. от модуля коэффициента передачи исследуемого СВЧ-элемента 4.

Сигнал, пропорциональный тангенсу разности.фаз в опорном и измерительном каналах, индицируЪтся на индикаторе 19 фазы.

Начальную калибровку и установку напряжения с источника 20 опорного

напряжения можно проводить с помощью первого оптического фазовращателя 7 в режиме калибровки, когда исследуемый СВЧ-элемент 4 исключен из измерительного тракта. Для калиброки можно также использовать переключение входов измерителя 17 отношений.

С помощью второго оптического фа- зовращаетля 13 можно сдвигать нулевую точку фазометра, что позволяет регулировать в широких пределах крутизну измерительной характеристики.

Фо рмула изобретения

Устройство для измерения фазовых характеристик, содержащее генератор СВЧ, выход которого соединен с входом первого делителя мощности, к первому выходу которого подключен вход первого ферритового вентиля, выход которого является входом для подключения исследуемого СВЧ-элемента, к второму выходу первого делителя мощности подключен вход второго ферритового вентиля, выход которого подключен к модулирующему входу источ- ника когерентного света, выход кото- рого оптически связан с входом первого оптического фазовращателя, первый

фазовый детектор с оптическим и радиочастотным входами, состоящий из лавинного фотодиода, с согласующей цепью на радиочастотном входе и фильтром нижних частот на выходе и индикатор фазы, отличающееся тем, что,-с целью повьшения точности измерения фазовых характеристик для СВЧ-элементов, имеющих коэффициент передачи, близкий к единице, введен

второй делитель мощности, первый выход которого подключен к радиочастотному входу первого фазового детектора, а второй выход - к радиочастотному входу введенного втррого фазового детектора, идентичного первому, выход первого оптического фазовращателя оптически связан с входом введенного расщепителя луча, первый выход которого оптически связан с оптическим входом первого фазового детектора, а второй выход через введенный второй оптический фазовращатель - с оптическим входом второго фазового детектора, выход которого соединен с

первым входом введенного первого сумматора, выход которого соединен с первым входом введенного измерителя отношений, выход второго фазового детектора соединен с первым входом вве71285399 8

денного второго сумматора, выход ко- торого соединен с вт орыми входами торого соединен с вторым входом иэме- первого и второго сумматоров, вход рителя отношений, выход которого сое- второго делителя мощности является динен с индикатором фазы, введен ис- входом для подключения исследуемого точник опорного напряжения, выход ко- 5 СВЧ-элемента.

Изобретение относится к радиотехнике и обеспечивает повьшение точности измерения фазовых х-к для СВЧ- элементов, имеющих коэф. передачи, близкий к единице. Устр-во содержит генератор СВЧ 1, делители мощности 2,15, ферритовые вентили 3,5, исследуемый СВЧ элемент (ИЭ) 4, источник когерентного света 6, оптические фазовращатели (ОФ) 7,13, расщепитель луча 8, фазовые детекторы (ФД) 9,14, сумматоры 16,18, измеритель отноше- Ж НИИ 17, индикатор фазы 19, источник опорного напряжения 20. ФД состоят из лавинного фотодиода 10, согласующей цепи 11 и фильтра нижних частот 12. Ферритовый вентиль 3, ИЭ 4 и делитель мощности 15 образуют измерительный канал. Сигнал, проходя через него, изменяет свою фазу и амплитуду в соответствии с фазой и модулем коэф. передачи ИЭ 4. Ферритовый вентиль 5, источник когерентного света 6, ОФ 7 и расщепитель луча 8 образуют опорньй канал. ОФ 7 служит для калибровки, а ОФ 13 - для сдвига фазы сигнала на 90. ФД 9, 14 вьще- ляют соответственно косинусную и синусную составляющие разности фаз колебаний опорного и измерительного канала. Сумматоры 16,18 служат для компенсации в сигналах соотв. ФД составляющей, определяемой рабочей точкой лавинного фотодиода 10. Сигнал, формируемый измерителем отношений 17, пропорционален тангенсу фаз колебаний в опорном и измерительном каналах. 1 ил. а сл tsD 00 сл со ;0